Identifikation spannungsabhängiger Bauschinger-Koeffizienten
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. A. Erman Tekkaya, M. Sc. Heinrich Traphöner, Institut für Umformtechnik und Leichtbau der Technischen Universität Dortmund - Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein, M. Sc. Martin Rosenschon, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
120 Seiten - 72,00 EUR (sw, 63 teils farbige Abb., 24 Tab.)
ISBN 978-3-86776-480-3
Zusammenfassung
Durch eine numerische Auslegung von Blechumformprozessen mithilfe der Finiten-Element-Methode (FEM) können bereits jetzt signifikante Zeit- und Kosteneinsparungen erzielt werden. Einen wichtigen Aspekt bildet hierbei die realitätsnahe Vorhersage der nach der Entnahme des Bauteils aus dem Werkzeug stattfindenden elastischen Rückfederung. Wird die Auffederung numerisch korrekt abgebildet, erlaubt dies eine Kompensierung dieser gemäß der gewünschten Sollgeometrie über die Anpassung der Werkzeuggeometrie. Bei aufwendigen Bauteilen sowie stark rückfederungsbehafteten Werkstoffen ist die aktuell erzielte Vorhersagegüte jedoch unzureichend. Als Folge nehmen aufwendige Nacharbeitungszyklen gemäß dem Trial-and-Error-Prinzip einen nach wie vor großen Bestandteil der Prozesskette ein.
Ein in diesem Kontext wichtiger Ansatz zur Genauigkeitssteigerung stellt die Abbildung des sogenannten Bauschinger-Effekts mithilfe kinematischer Verfestigungsansätze dar. Der nach einem Lastwechsel stattfindende Effekt führt allgemein zu einer Reduktion der Fließspannung. Resultierend verändern sich die im Bauteil vorherrschenden Restspannungen und damit auch die elastische Auffederung.
Zur Charakterisierung des Effekts und der Identifikation von zugehörigen Verfestigungsmodellen existiert eine Vielzahl sich unterscheidender Versuchsaufbauten. Durch die nicht standardisierte Vorgehensweise zur Charakterisierung des zyklischen Verfestigungsverhaltens sind weder der werkstoffspezifische Einfluss des Prüfverfahrens und der Identifikationsstrategie noch die im Einzelfall benötigte Modellkomplexität hinreichend bekannt.
Im Forschungsvorhaben "Identifikation spannungsabhängiger Bauschinger-Koeffizienten" erfolgt die Erarbeitung von Strategien zur Identifikation des kinematischen Verfestigungsverhaltens unter Berücksichtigung des spannungs- und dehnungsabhängigen Bauschinger-Effekts. Hierbei werden sowohl Empfehlungen zur experimentellen Durchführung als auch zur Identifikation geeigneter Modelle gegeben. Des Weiteren erlaubt die Entwicklung eines Lastwechselindikators eine frühzeitige Evaluierung lastwechselbehafteter Bauteilbereiche und damit eine Abschätzung der Notwendigkeit kinematischer Ansätze. Durch die Charakterisierung praxisrelevanter Blechwerkstoffe im Zug-Druckversuch, ebenen Torsionsversuch sowie einem modifizierten ASTM-Scherversuch wird sowohl der Einfluss der Dehnung als auch des mit dem Prüfverfahren verbundenen Spannungszustands untersucht.
In Abhängigkeit des Werkstoffes kann ein teils signifikanter Einfluss des Charakterisierungsverfahrens festgestellt werden. Die Identifikation unterschiedlich komplexer Verfestigungsmodelle zeigt, dass die Dehnungsabhängigkeit nicht ausreichend abgebildet werden kann, wodurch eine Identifikation auf Basis mehrfacher Datensätze empfohlen wird. Eine finale Validierung der identifizierten Verfestigungsmodelle im Wechselbiegeversuch sowie dem S-Rail ermöglicht eine prozessspezifische und werkstoffgebundene Empfehlung des Prüfverfahrens sowie des im Einzelfall benötigten Modells. Der Abgleich der Rückfederungsprognose mit den Ergebnissen des Lastwechselindikators zeigt, dass dieser für die Vorabanalyse eines Blechumformprozess geeignet ist.
Die Ergebnisse dieses Projektes ermöglichen späteren Anwendern, eigene Prozesse zu bewerten und eine Auswahl hinsichtlich der Charakterisierung sowie des Verfestigungsmodells zu treffen. Hierdurch wird eine prozessorientierte Materialmodellierung zur Verbesserung der numerischen Rückfederungsvorhersage ermöglicht.
Das im Rahmen des Projekts gesetzte Forschungsziel wurde erreicht.
Das IGF-Vorhaben „Identifikation spannungsabhängiger Bauschinger-Koeffizienten" wurde unter der Fördernummer AiF 17375N 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 (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 432 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
Using the finite element method (FEM) in the design process of sheet metal forming processes it is already possible to achieve a significant cost and time saving. The accurate prediction of the elastic springback, which takes place after the actual forming, is an im-portant aspect in this context. If the numerical springback result is correct, a tool adjustment in accordance with the required nominal geometry can be done. Considering complex components or materials with a distinct springback behavior the currently achievable predictive quality however is inadequate.
Consequently, the process chain still includes a number of extensive post processing cycles according to the trial and error approach. In this context the mapping of the Bauschinger-effect by kinematic hardening laws is an important approach to increase the numerical prediction quality. This effect occurs after a load change and generally leads to the reduction of the yield stress. As a result the residual stresses in the component and therefore the elastic springback behavior change. In order to identify the effect and related hardening-models there is a variety of different usable experimental setups. Due to the non-standardized approach to characterize the cyclic hardening behavior, neither the specific influence of the material and the identification strategy nor the necessary model complexity in an individual case is sufficiently known.
The research project "Identification of stress-dependent Bauschinger-coefficients" focuses on the development of strategies to identify the kinematic hardening behavior considering the stress-strain-dependent Bauschinger-Effect. Therefore recommendations for the experimental setup as well as for the identification of suitable models are given. Furthermore the development of a load change indicator allows the evaluation of component areas that experience a load change. Thus the need for kinematic approaches can be estimated at an early stage. By characterising relevant sheet metals in a tension-compression test, a plain torsion test and a modified ASTM-shear test, the influence of the strain and of the state of stress related to the test method is investigated. A partially significant influence of the characterisation methods dependent of the material can be determined.
The identification of hardening models of various complexities shows that the strain-dependence cannot be mapped sufficiently in which case an identification based on multiple data is recommended. A final validation of the identified hardening models in the cyclic bending-test and in the S-Rail enables process specific and material-linked recommendations of the test method and of the test setup. Comparing the springback prediction with the results of the load change indicator, it is clearly provided that the indicator is appropriate for the preliminary analysis of sheet metal forming processes. The results of this project enable later users to evaluate their own processes and to make choices with regard to the characterisation method and to the hardening model. Through this a process-oriented material-modelling procedure to improve the numerical springback prediction is possible.
The research goal has been achieved.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Aktuelle Plastizitätsmodellierung in der Blechumformung
2.2 Der Bauschinger-Effekt
2.3 Modelle zur Abbildung des Bauschinger-Effekts
2.4 Versuche zur Charakterisierung des Bauschinger-Effekts
3 Zielsetzung und Lösungsweg
4 Experimentelle und numerische Vorgehensweise
4.1 Versuchswerkstoffe
4.1.1 Aluminium-Knetlegierung AA5182-O
4.1.2 Tiefziehstahl DX54D
4.1.3 Dualphasenstahl DP-K 45/78 +Z140
4.2 Eingesetzte Versuche zur zyklischen Werkstoffprüfung
4.2.1 Zug-Druckversuch (ZDV)
4.2.2 Modifizierter ASTM-Scherversuch (SV)
4.2.3 Zyklischer ebener Torsionsversuch (ETV)
4.3 Numerische Abbildung des kinematischen Verfestigungsverhaltens
4.3.1 Untersuchte Modelle
4.3.2 Inverse Parameteridentifikation
4.3.3 Aufbau der Ersatzmodelle
4.3.4 Inverse Parameteridentifikation mit LS-DYNA und LS-Opt
4.4 Versuchsaufbauten zur Modellvalidierung
4.4.1 Wechselbiegeversuch
4.4.2 S-Rail
5 Charakterisierung des Bauschinger-Effekts
5.1 Werkstoffspezifische Ausprägung in Abhängigkeit des Prüfverfahrens
5.2 Einfluss von Chargenschwankungen
5.3 Einfluss des Probenherstellungsverfahrens
6 Identifikation kinematischer Verfestigungsmodelle
6.1 Sensitivität ermittelter Materialparameter
6.2 Einfluss der Vordehnung auf die Ermittlung von kinematischen Verfestigungsmodellen
6.3 Untersuchung zum Einfluss der Anzahl von Lastrichtungswechseln auf die Ermittlung von Bauschinger-Koeffizienten
7 Indikator zur Ermittlung der Lastwechselintensität
7.1 Prinzip eines Lastwechselindikators
7.2 Theorie des Lastwechselindikators
7.3 Implementierung des Indikators für LS-DYNA mit Matlab
7.4 Analyse des S-Rail
7.5 Analyse des Wechselbiegeversuchs
8 Validierung identifizierter Verfestigungsmodelle
8.1 Rückfederungsvorhersage im Wechselbiegeversuch
8.2 Rückfederungsvorhersage im S-Rail
8.3 Fazit der Rückfederungsberechnung am Realbauteil
9 Offene Fragen und zukünftiger Forschungsbedarf
10 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse
11 Literaturverzeichnis
Anhang A: Modellparameter
