Praxisnahe und wirtschaftliche Ermittlung der kinematischen Verfestigung von Blechwerkstoffen mittels Biegeversuchen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Marion Merklein, Dipl.-Ing. Michael Wieland, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnbergg
90 Seiten - 57,00 EUR (sw, 48 Abb., 10 Tab.)
ISBN 978-3-86776-425-4
Zusammenfassung
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Weiterentwicklung der Methodik zur Analyse des kinematischen Verfestigungsverhaltens von Blechwerkstoffen durch den bereits im EFB-Vorhaben 01/108 eingesetzten Wechselbiegeversuch (EFB-Forschungsbericht Nr. 313). Die Verfahrensgenauigkeit konnte durch den Einsatz von Materialmodellen mit einem größeren Detaillierungsgrad zur Berücksichtigung des kinematischen Verfestigungsverhaltens gesteigert werden.
Dies konnte in einer qualitativen Gütebewertung anhand einer umgeformten Demonstratorgeometrie mittels Geometrievergleich des Bauteils mit der entsprechenden Umformsimulation für einen Stahlwerkstoff und eine Aluminiumlegierung nachgewiesen werden. Der für die numerische Optimierung benötigte Zeitaufwand unter Gesichtspunkten der Vorhersagegenauigkeit erlaubt hierbei eine Einschätzung über das zu verwendende Material-modell. Die Vorgehensweise zur Ermittlung von Bauschinger-Parametern aus dem EFB-Vorhaben 01/108 wurde mit den Erkenntnissen dieses Forschungsvorhabens ergänzt und somit ein erweiterter Leitfaden zur Unterstützung der Versuchsdurchführung und der Modellgestaltung bereitgestellt. Die wesentlichen Ergebnisse lassen sich wie folgt zusam-menfassen:
- Durch die Verwendung von Materialmodellen mit einem größeren Detaillierungsgrad für die Abbildung der kinematischen Verfestigung kann die Genauigkeit des Ermittlungsverfahrens gesteigert werden. Von besonderer Bedeutung ist hierbei einerseits die exakte Abbildung des Fließbeginns nach der Belastungsumkehr sowie eine genaue Beschreibung des Verfestigungsverhaltens des Werkstoffs nach Belastungsumkehr.
- Die Vorhersagegenauigkeit der Rückfederung für Materialmodelle mit Berücksichtigung der kinematischen Verfestigung konnte erst durch die Einbeziehung der Reduktion des E-Moduls aufgrund einer plastischen Vordehnung gesteigert werden. Durch den Einsatz von Materialmodellen mit einem größeren Detaillierungsgrad konnte eine Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit der Rückfederungsberechnung erzielt und folglich eine bessere Übereinstimmung der umgeformten Modellgeometrie mit der numerischen Simulation im Vergleich zu einfachen Materialmodellen erreicht werden.
- Trotz des geringeren Zeitaufwands zur inversen Identifikation von Bauschinger-Parametern für Materialmodelle mit einem Parameter zur Berücksichtigung der kinematischen Verfestigung sollten zur Verbesserung der Abbildungsgenauigkeit Materialmodelle mit mehreren Parametern herangezogen werden. Mit geringfügig höherem Zeitaufwand bei der numerischen Optimierung kann eine signifikante Verbesserung der Rückfederung erzielt werden.
Insgesamt konnte im Projektzeitraum die Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit für Materialmodelle mit einem höheren Detaillierungsgrad gegenüber einfachen Materialmodellen für je einen Stahlwerkstoff und eine Aluminiumlegierung nachgewiesen werden. Durch die qualitative Gütebewertung durch Geometrievergleich einer Demonstratorgeometrie und der entsprechenden Rückfederungssimulation konnte eine Verbesserung der Abbildung der Rücksprungtendenz unter Einbeziehung einer Reduktion des E-Moduls infolge einer plastischen Dehnung festgestellt werden. Durch die Dokumentation des Zeitaufwands der numerischen Optimierung in Abhängigkeit des eingesetzten Materialmodells sowie der Erweiterung des Leitfadens zur Versuchsdurchführung und zur Modellgestaltung sind die Rahmenbedingungen für eine einfachere Umsetzung zur Ermittlung von Bauschinger-Parametern mittels Wechselbiegeversuch gegeben.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Praxisnahe und wirtschaftliche Ermittlung der kinematischen Verfestigung von Blechwerkstoffen mittels Biegeversuchen“ wurde unter der Fördernummer AiF 17128N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen
Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 382 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The aim of this research project is the enhancement of the methodology for the analysis of the kinematic hardening behavior of blanks by a bending-unbending test. This test was already used in the EFB-Projekt 01/108. The accuracy of this method was improved by the application of material models with a higher precision considering the kinematic hardening behavior.
The quality of the prediction accuracy was verified on a test geometry by a comparison of a drawn geometry with the numerical simulation for a steel grade and an aluminum alloy. The required expenditure of time with respect to the prediction accuracy was determined, which is advantageous for an evaluation of the material model to use in the numerical simulation. The method for determining Bauschinger parameters, also utilized in the EFB-project 01/108 was complemented with findings of this research project. An extended guideline supporting the experimental procedure and the creation of the numerical model was provided. The basic results can be summarized as follows:
- Due to the utilization of material models with a higher precision considering the kinematic hardening behavior the accuracy of the determination procedure is improved. The most important point is the exact accordance of the yielding point after the reverse loading on the one hand and the accurate prediction of the following hardening behavior on the other hand.
- The prediction accuracy of springback for material models considering the kinematic hardening behavior was improved by including the reduction of youngs modulus as a result of plastic pre-strain. Due to the utilization of material models with a higher precision an improvement of the prediction accuracy of the springback calculation was achieved and with that a better accordance of the drawn geometry with the numerical calculation compared to the utilization of simple material models.
- Despite of the smaller expenditure of time for the inverse identification of bauschinger parameters for material models considering one parameter for kinematic hardening, material models with multiple parameters should be preferred for the improvement of springback prediction. The slightly higher expenditure of time for the numerical optimization leads to a significant improvement of the accuracy of springback prediction.
Overall an enhancement of the prediction accurateness for material models with a higher precision considering the parameter for the kinematic hardening behavior compared to simple material models was verified for a steel grade and an aluminum alloy. The enhancement of prediction accuracy due to the integration of a reduction of youngs modulus as a result of plastic pre-strain was determined by a geometry comparison of a drawn test component and the springback calculation. The expenditure of time of the numerical optimization runs in dependency of the used material model was documented and the guideline supporting the experimental procedure and the creation of the numerical model was extended. This sets the basic conditions for a simple transfer of this test method for the determination of bauschinger parameters by bending-undbending tests into industrial application.
The aim of the research project was achieved.
Inhaltsverzeichnis
Abbildungszerzeichnis
Tabellenverzeichnis
Zusammenfassung
Summary
1 Wirtschaftliche und wissenschaftliche Problemstellung
2 Forschungsziele und Lösungsweg
2.1 Forschungsziel
2.2 Vorgehensweise / Lösungsweg
3 Charakterisierung der Versuchswerkstoffe
3.1 Versuchswerkstoffe
3.2 Zugversuch
3.3 Hydraulischer Tiefungsversuch
4 Versuche mit Belastungsumkehr
4.1 Zug-Druck-Versuch
6.2 Zyklischer Scherversuch
6.3 Wechselbiegeversuche
5 Inverse Parameteridentifikation für komplexe Materialmodelle
5.1 Verwendete inverse Identifikationsmethodik
5.1.1 Finite-Elemente-Modell des Wechselbiegeversuchs
5.1.2 Finite-Elemente-Modell des Zug-Druck- und des zyklischen Scherversuchs
5.1.3 Numerische Optimierung
5.2 Verwendete Materialmodelle
5.3 Zug-Druck-Versuche
5.4 Zyklischer Scherversuche
5.5 Wechselbiegeversuche
6 Gütebewertung der Bauschinger-Parameter
6.1 Verwendeter Modellversuch
6.2 Geometrievergleich
6.2.1 Zug-Druck-Versuche
6.2.2 Zyklische Scherversuche
6.2.3 Wechselbiegeversuche
6.2.4 Vorhersagegenauigkeit in Abhängigkeit des Ziehradius
7 Erweiterter Leitfaden zur Bestimmung der kinematischen Verfestigung mittels Wechselbiegeversuchen
8 Wissenschaftlich-technischer Nutzen für KMU
9 Publikationen
10 Literatur
