Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Materialmodellen zur Blechumformsimulation
Verfasser:
Reimund Neugebauer, Wolfgang Heidl, Detlef Michael - Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz -
Peter Gumbsch, Winfried Schmitt, Andriy Krasowsky - Fraunhofer-Institut für Werkzeugmechanik Freiburg
ISBN 978-3-86776-201-4 - 106 Seiten, 92,00 €
Zusammenfassung
Dieses Projekt wurde durchgeführt, um die Anwendungsbereiche der verschiedenen Materialmodelle zu ermitteln, welche in kommerziellen Programmsystemen für die Umformsimulation zur Verfügung stehen. Durch die Untersuchung von fünf Blechwerkstoffen aus einer Aluminiumlegierung und vier hochfesten Stählen konnten die bestehenden Unsicherheiten bei der Anwendung dieser Modelle deutlich reduziert werden. Die wesentlichen Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Eine wesentliche Voraussetzung für eine genauere Rückfederungssimulation ist die richtige Berücksichtigung des Bauschinger-Effekts durch ein Modell mit kombinierter kinematischer und isotroper Verfestigung (Chaboche-Modell und Weiterentwicklungen) und der entsprechenden Werkstoffcharakterisierung durch Zug-Druckversuche. Bei Verwendung des Chaboche-Modells konnten in den meisten Fällen deutliche Verbesserungen bei der Rückfederungssimulation erzielt werden. In einigen Fällen verhindern aber nach wie vor andere Ungenauigkeiten in der Simulation wie sie beispielsweise aus der Verwendung von Schalenelementen oder aus einer nicht ausreichend berücksichtigten Anisotropie des Werkstoffs kommen, eine befriedigende Vorhersage der Rückfederung.
Die konventionellen hydraulischen Tiefungsversuche auf einer Erichsen-Prüfmaschine zur Ermittlung von Blech-Fließkurven über die Gleichmassdehnung hinaus erwiesen sich als nicht praktikabel. Daher wurde am IWU ein „Maxi-Bulge-Test“ konzipiert, entwickelt und aufgebaut. Damit können jetzt Fließkurven mit ausreichender Reproduzierbarkeit und bis zu höheren, für Tiefziehprozesse relevanten, Vergleichsumformgraden gemessen werden.
Das Chaboche-Modell mit nur einer Rückspannungskomponente kann die zyklischen Spannungs-Dehnungskurven bei manchen Werkstoffen nicht ausreichend genau beschreiben. Das betrifft vor allem die früh auftretende Plastifizierung bei Lastumkehr und bei Entlastung, aber auch die Verfestigung bei einem zweiten Zyklus. Daher wurden unter Verwendung benutzerdefinierter Stoffgesetze in ABAQUS der Einfluss mehrerer Rückspannungskomponenten und dehnungsabhängiger Elastizitätsmodulen untersucht.
Im Fall des Streifenziehbiegeversuches hängt die Übereinstimmung zwischen der Rechnung mit Schalenelementen und dem Experiment stark von der Größe des Ziehradius ab. Die zusätzlich in ABAQUS mit Volumenelementen gerechneten Hutprofile zeigen deutlich bessere Übereinstimmung insbesondere für die kleinen Ziehradien. Die Ursache liegt bei der Formulierung der Schalenelemente, die über einen reduzierten Spannungstensor verfügen und die Spannungen normal zu der Blechebene vernachlässigen.
Insgesamt konnten in dieser Projektphase die Anwendungsbereiche der Modelle gut dokumentiert werden. Ebenso konnten die Möglichkeiten der Werkstoffcharakterisierung in Form von Spannungs-Dehnungskurven bei erhöhten Dehngraden und bei Lastumkehr deutlich verbessert werden. Darüber hinaus wurden aber weitere Einflussfaktoren (Elementansätze, Netzfeinheit) für die Simulation identifiziert.
Das Forschungsvorhaben "Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Materialmodellen zur Blechumformsimulation" wurde von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) gefördert. Der Abschlußbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 244 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
