Praxisnahe Versagensbeschreibung bei der Umformung von Feinblechen
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, Dipl.-Ing. Daniel Gröbel, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg - Prof. Dr. rer.nat. Peter Gumbsch, Dr.-Ing. Alexander Butz, Dr. Dirk Helm, Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik Freiburg
96 Seiten - 59,00 EUR (sw, 61 Abb., 15 Tab.)
ISBN 978-3-86776-438-4
Zusammenfassung
Zielsetzung des Forschungsvorhabens ist die Anwendung und Bewertung von bereits vorhandenen Modellen zur Beschreibung der duktilen Deformation und der duktilen Schädigung in der Blechumformung.
Eine umfangreiche experimentelle Charakterisierung der Materialeigenschaften der Aluminiumwerkstoffe Ac-170PX und Al99Mg1 sowie der Stahlwerkstoffe HC340LAD und HC450X stellt die Basis für die Bewertung dar. Dabei wurden Zugversuche in 0°, 45° und 90° zur Walzrichtung, hydraulische Tiefungsversuche mit runden und elliptischen Matrizen, sowie Nakajima-Versuche durchgeführt.
Auf Basis der gewonnenen Daten wurde anschließend die Plastizität mit Hilfe der Fließhypothese Yld2000-2d nach Barlat [1] und einer Fließkurve zur Beschreibung des Verfestigungsverhaltens modelliert.
Zur Ermittlung der Fließkurve wurden Daten aus den Zugversuchen mit denen der hydraulischen Tiefungsversuche kombiniert, um eine Vergleichsspannungsfließkurve zu erhalten, die in der Lage ist, das Verfestigungsverhalten der eingesetzten Werkstoffe bis hin zu hohen Umformgraden abzubilden. Das Plastizitätsmodell wurde schließlich anhand der Spannungs-Dehnungs, bzw. der Kraft-Weg-Kurven der Zugversuche und der runden und elliptischen Tiefungsversuche erfolgreich validiert. Zur Beschreibung des Schädigungseintritts wurde das mikromechanisch motivierte Schädigungsmodell nach Gurson-Tveergard-Needleman (GTN) dem in der Praxis etablierten Schädigungskriterium des Grenzformänderungsdiagramms (GFD) gegenübergestellt. Hierzu wurden zunächst Modelle für beide Fälle auf Basis der experimentellen Daten erstellt und in die kommerzielle Simulationssoftware Abaqus 6.11 des Unternehmens Dassault Systems [2] mit Hilfe einer eigens entwickelten Subroutine eingebunden.
Beide Modelle wurden nachfolgend einem bewertenden Vergleich unterzogen, der anhand zweier Referenzprozesse durchgeführt worden ist. Hierfür wurden zum einen der Nakajima-Versuch und zum anderen der Napfzugversuch ausgewählt. Insbesondere der Napfzugversuch erlaubt durch den Einsatz verschiedener Stempelgeometrien die Überprüfung der Schädigungsmodelle unter komplexen und gleichzeitig praxisnahen Spannungs- und Formänderungszuständen. Für diesen Zweck wurde eigens ein entsprechendes Werkzeug konstruiert und aufgebaut, an dem die erforderlichen Versuche erfolgreich durchgeführt werden konnten. Zur Ausführung des bewertenden Vergleichs wurden die Vorhersagen der Schädigungsmodelle der simulierten Versuche mit denen der realen Experimente verglichen.
Die daraus resultierenden Erkenntnisse können wie folgt zusammengefasst werden:
- Die möglichst genaue Abbildung der Elastoplastizität ist, unabhängig von der Wahl des Schädigungsmodells, von entscheidender Bedeutung für die Präzision der Schädigungsvorhersage.
- Das Grenzformänderungsdiagramm war für alle untersuchten Werkstoffe in der Lage den Eintritt der lokalen Einschnürung mit einem Fehler von < 15 % bezogen auf die Hauptumformgrade vorherzusagen.
- Durch das GTN-Modell war es, im Gegensatz zum GFD, möglich den Verlauf des Einschnürverhaltens abzubilden. Der Zugewinn an Genauigkeit für die Schädigungsvorhersage ist jedoch bezogen auf den Aufwand der Modellerstellung unverhältnismäßig. Das GTN-Modell kann daher in der in diesem Projekt untersuchten Variante derzeit nicht für den praxisnahen Einsatz empfohlen werden.
Insgesamt kann damit festgehalten werden, dass durch den bewertenden Vergleich der beiden Schädigungsmodelle der Erkenntnisstand über deren Einsatz erweitert und Klarheit über einen möglichst zweckmäßigen Einsatz der Modelle gewonnen werden konnte.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Praxisnahe Versagensbeschreibung bei der Umformung von Feinblechen“ wurde unter der Fördernummer AiF 16465N 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 Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 394 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The objective of the research project is the application and evaluation of already existing models, which are able to predict plastic deformation and damage in sheet metal forming. An extensive experimental material characterization of the properties of the aluminum materials Ac-170PX and Al99Mg1, as well as of the steels HC340LAD and HC450X represents the basis for the evaluation. For that matter, tensile tests in 0°, 45° and 90°, respective to the rolling direction, bulge tests with circular and elliptical die geometry, as well as Nakajima tests have been carried out.
Based on the results obtained the material plasticity has been modelled using the yield hypothesis Yld2000-2d according to Barlat [1], whereas the material hardening is represented by a flow curve. For the determination of the flow curve, a combination of experimental data considering the flow curves from tensile and bulge tests has been used in order to ascertain an effective flow curve, which is able to describe the material hardening at high strains. Furthermore, the plasticity model has been successfully validated by means of a comparison between the stress-strain and the pressure-dome height curves of the tensile tests and the bulge tests. In order to describe the damage behavior, the micromechanical damage model according to Gurson-Tveergard-Needleman (GTN) has been compared to the conventional and phenomenological failure criterion of the forming limit curve (FLC). For this purpose, damage models for both cases have been initially constructed on the basis of the experimental data, which have been subsequently implemented in the FE-software Abaqus 6.11 [2] by means of a specifically developed subroutine.
In a subsequent step, both models have been compared and evaluated, for which cup drawing tests have been considered as reference processes. The cup drawing tests enables the examination of the damage models in respect of complex and practical stress-strain conditions. Therefore, a cup drawing tool with different punch geometries has been developed and constructed, which made it possible to conduct the necessary experiments. To evaluate the predictive capability of the considered models, the results obtained from simulations have been compared to the experimental data. The resulting outcomes can be summarized as follows:
- The accurate description of the plastic deformation is of high importance for failure prediction, independently from the chosen damage model or damage criterion.
- The forming limit curve has been able to predict the onset of the material localization for the investigated materials with an error of < 15% in reference to the major strains of the materials.
- By means of the GTN model and in contrast to the FLC, it has been possible to describe the damage evolution (loss of load carrying capacity) of the investigated materials. The improvement regarding the accuracy of the failure prediction is, however, disproportional in relation to the investment of work needed to identify the model parameters. Hence, the investigated version of the GTN model cannot be recommended for practical applications at the moment.
In summary, the conducted evaluation of the GTN damage model and the FCL criterion has increased the knowledge concerning their applicability for failure prediction. Moreover, the possible usage in relation to practical application and efficiency has been further clarified.
The objective of the research project has been achieved.
Inhalt
1. Zusammenfassung
2. Wirtschaftliche und wissenschaftliche Problemstellung
3. Forschungsziele und Lösungsweg
3.1 Forschungsziel
3.1.1 Angestrebte Forschungsergebnisse
3.1.2 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse
3.1.3 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels
4. Charakterisierung der Versuchswerkstoffe
4.1 Versuchswerkstoffe
4.2 Zugversuch
4.3 Hydraulischer Tiefungsversuch
4.4 Nakajima Versuch
4.5 Streifenziehversuche
4.6 Quantitative Untersuchung des Porenanteils
5. Parameteridentifikation und Modellierung
5.1 Modellierung der Elastoplastizität
5.1.1 Fließortbeschreibung
5.1.2 Modellierung der Verfestigung
5.1.3 Validierung des Plastizitätsmodells
5.2 Modellierung der Schädigung bei Blechumformprozessen
5.2.1 Beschreibung des GTN-Modells
5.2.2 Parameteridentifikation des GTN-Modells
6. Durchführung von Napfzugversuchen
7. Simulation mit FLD und GTN
7.1 Hydraulischer Tiefungsversuch
7.2 Nakajima Versuch
7.3 Napfzugversuch
7.3.1 Simulation mit dem Grenzformänderungsschaubild
7.3.2 Simulation mit dem GTN-Modell
8. Diskussion
8.1 Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse
8.1.1 Hydraulische Tiefungsversuche
8.1.2 Näpfchenversuche
8.2 Vergleichende Bewertung
8.3 Einsatzgrenzen
9. Wirtschaftliche Bedeutung
10. Literatur
11. Abbildungsverzeichnis
12. Tabellenverzeichnis
