Analyse prozessnaher Einflüsse auf das Rückfederungsverhalten von Blechwerkstoffen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Erman Tekkaya, M. Sc. Heinrich Traphöner, Institut für Umformtechnik und Leichtbau, Technische Universität Dortmund - Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, M. Sc. Martin Rosenschon, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
110 Seiten - 74,00 EUR (sw, 71 teils farbige Abb., 12 Tab.)
ISBN 978-3-86776-563-3
Zusammenfassung
Für die Wettbewerbsfähigkeit produzierender Unternehmen führen sinkende Produktzykluszeiten und steigender Kostendruck zu der Notwendigkeit von numerischen Prozessanalysen mit der Finiten-Elemente Methode (FEM). Bereits vor der Produktion können so Werkzeuge rückfederungskompensiert ausgelegt und aufwendige und kostenintensive Nachbearbeitungen reduziert werden.
Als Basis solcher Simulationen dienen Werkstoffkennwerte, die alle relevanten Eigenschaften abbilden. Werkstoffmodelle werden kontinuierlich weiterentwickelt, um die Vielzahl an Einflüssen auf die numerische Simulation abbilden zu können. Mit steigender Komplexität steigt aber auch der Aufwand für die Charakterisierung der einzelnen Einflüsse, sodass die Notwendigkeit und der Nutzen auch unter wirtschaftlichen Aspekten betrachtet werden müssen. Hierzu gehört insbesondere der Bauschinger-Effekt, welcher maßgeblichen Einfluss auf die Rückfederung von Bauteilen bei wechselnder Belastung hat.
Im Forschungsvorhaben „Analyse prozessnaher Einflüsse auf die numerische Rückfederungsvorhersage" erfolgt eine Analyse der Ausprägung des Bauschinger-Effektes in Abhängigkeit des Spannungs- und Dehnungszustandes sowie in Abhängigkeit der Walzrichtung des Bleches. Diese umfassende Analyse schafft einen übergreifenden Überblick über die Ausprägung des Bauschinger-Effektes, um damit ein sinnvolles Versuchsspektrum für die Charakterisierung zu definieren und geeignete Materialmodelle auszuwählen.
Die Entwicklung einer Methode für die selektive Zuordnung dehnpfadabhängiger Materialparameter ermöglicht eine weitere Verbesserung der numerischen Rückfederungsvorhersage. Der Aufwand für die Charakterisierung und Modellierung steigt jedoch. Ein auf der Änderung des Spannungstensors basierender Lastwechselindikator (LWI) wird zur Vorabanalyse von Tiefziehprozessen genutzt, um die Lastwechselintensität im Bauteil zu ermitteln.
Dieser ist im Vergleich zu einem auf die Hauptformänderungen bezogenen Indikator weniger sensitiv zu spezifischen Belastungsänderungen, die fälschlicherweise nicht erkannt würden. Mit beiden Indikatoren werden sowohl lokale elementspezifische LWI als auch globale bauteilspezifische LWI ermittelt. Durch die Entwicklung und den Bau eines modularen Tiefziehdemonstrators können einzelne geometrische und prozesstechnische Einflüsse systematisch im Hinblick ihres Einflusses auf die Rückfederung analysiert werden.
Die Ergebnisse des Projektes ermöglichen es Anwendern, den Aufwand für die Charakterisierung und Modellierung des Bauschinger-Effektes einzuschätzen und im Hinblick auf die Anforderungen an Genauigkeit, Zeit und Kosten auszuwählen. Bei Übertragung der Projektergebnisse auf anwenderspezifische Prozesse soll eine Abschätzung der Rückfederung ermöglicht werden. Durch den neu entwickelten modularen Demonstrator sind zudem auch zukünftig gezielte prozess- und werkstoffspezifische Analysen möglich.
Das im Rahmen des Projekts gesetzte Forschungsziel wurde erreicht.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Analyse prozessnaher Einflüsse auf das Rückfederungsverhalten von Blechwerkstoffen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 17613N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 509 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
Manufacturing companies are facing challenges like a decrease of product lifecycle times and an increasing pressure of costs. In this context, the process design using finite element analyses (FEA) is one possibility to maintain competitiveness. In the early phase of tool design, it is possible to compensate springback effects without cost- and time-intensive rework. The most important input factors for finite element simulations are material parameters, which represent all relevant properties of a certain material. Material models are enhanced constantly in order to map a high variety of influencing factors for FEA, like material anisotropy or kinematic hardening. However, with increasing complexity of material modelling, the effort for materials characterization is rising too. This area of conflict between a high mapping accuracy and rising costs for materials characterization has to be taken into account by manufacturing companies from an economical point of view. In the case of springback prediction the so-called Bauschinger-effect, which influences the springback behavior under changing load conditions has to be considered.
Within the research project "Analysis of process-related influences on the numerical springback prediction", the Bauschinger-effect is analyzed in detail with respect to its stress- and strain-state dependence as well as to the influence of the orientation to rolling direction. Based on a comprehensive characterization of the Bauschinger-effect, a reasonable test setup for materials characterization is derived. Furthermore, adequate material models for an accurate springback prediction are identified.
A new method is presented, which allows the selective allocation of material parameters with respect to the strain-path history. Although the effort for materials characterization and especially material modelling rises significantly, a significant improvement for numerical springback prediction can be achieved.
In a preliminary analysis of deep drawing processes, a load-change-indicator (LWI) based on the alteration of the stress tensor is used to identify the load-change-intensity in a deep drawing part. Compared to an indicator which refers to the principal strain, this method is less sensitive to specific load changes, which could not be detected by mistake. Both methods are used in order to identify local element-specific load-change-indicators as well as global component-specific ones.
Within the research project, a modular tool is developed. Based on this tool concept, it is possible to analyze different geometric as well as process-specific factors with respect to their effect on springback effects systematically.
Based on the results of this research project, the users are enabled to assess the effort for the experimental characterization and the modelling of the Bauschinger-effect and to make a decision with respect to mapping accuracy, time and costs. Furthermore, the project results can be used for an estimation of the springback behavior for user-specific processes. The newly developed modular tool enables process- as well as material-specific analyses of the Bauschinger-effect in the future.
The research goal has been achieved.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
3 Zielsetzung und Lösungsweg
4 Experimentelle und numerische Vorgehensweise
4.1 Versuchswerkstoffe
4.1.1 Ausscheidungshärtbare Aluminiumlegierung AA6016
4.1.2 Dualphasenstahl CR330Y590T-DP-GI (DP600)
4.1.3 Tiefziehstahl CR4-GI (DX56D)
4.2 Erweiterte Charakterisierung und Modellierung des monotonen Fließverhaltens der Versuchswerkstoffe
4.2.1 Bulge-Versuche für Fließkurven und biaxialen Fließbeginn
4.2.2 Charakterisierung des elastischen Halbzeugverhaltens im schwellenden Zugversuch
4.2.3 Druckabhängige Reibwerte im Streifenzugversuch
4.3 Versuche zur zyklischen Werkstoffprüfung
4.3.1 Zug-Druckversuch (ZDV)
4.3.1 Zyklischer ebener Torsionsversuch (ETV)
4.3.2 Zyklischer Doppelsteg-Torsionsversuch (DS)
4.4 Entwicklung eines modularen Demonstrators
5 Charakterisierung und Modellierung des Bauschinger-Effekts
5.1 Quantifizierung und Analyse des zyklischen Verfestigungsverhaltens
5.2 Einfluss des Spannungszustandes und der Walzrichtung
5.3 Modellierung des zyklischen Verfestigungsverhaltens
6 Selektive Zuordnung lokal unterschiedlicher Materialparameter
6.1 Vordehnungsabhängige Materialparameter
6.2 Identifikation eines Lastwechsels
6.3 Einbindung in das kommerzielle FE-Programm LS-Dyna
6.3.1 Prinzip der zweistufigen Simulation mit Vorabdefinition unterschiedlicher Bereiche
6.3.2 Prinzip der iterativen Modellanpassung
6.4 Einfluss der Simulation mit lokalen Materialparametern auf die Rückfederungsvorhersage am S-Rail
6.4.1 Charakterisierung der Rückfederung
6.4.2 Vergleich der Winkelkriterien am Beispiel des S-Rail
6.4.3 Einfluss der selektiven Zuordnung am Beispiel des S-Rail
6.5 Fazit
7 Indikator zur Ermittlung der Lastwechselintensität
7.1 Theorie dehnungs- und spannungsbasierter Lastwechselindikatoren
7.2 Ermittlung globaler Kennwerte
7.3 Korrelation zwischen Lastwechselindikator und Differenzen der Rückfederungssimulation
7.4 Fazit
8 Anwendung auf Bauteile
8.1 Einfluss der Prozessparameter auf die Rückfederungsberechnung
8.2 Gesamtbetrachtung am Demonstratorbauteil
8.3 Fazit
9 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse
9.1 Offene Fragen und zukünftiger Forschungsbedarf
10 Literaturverzeichnis
Anhang A: Modellparameter
