EFB-Forschungsbericht Nr. 532

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Verbesserte Blechumformsimulation durch 3D-Werkstoffmodelle und erweiterte Schalenformulierungen

efb532

Verfasser:
Dr.-Ing. Alexander Butz, M. Sc. Alexander Wessel, Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik Freibung - Prof. Dr.-Ing. habil. Manfred Bischoff, M. Sc. Tobias Willmann, Institut für Baustatik und Baudynamik der Universität Stuttgart

104 Seiten - 76,00 EUR (sw, 57 teils farbige Abb., 23 Tab.)
ISBN 978-3-86776-588-6

Zusammenfassung

Bei der Simulation von Blechumformprozessen werden nach derzeitigem Stand der Technik in der Regel Schalenelemente basierend auf dem Reissner-Mindlin-Modell in Kombination mit vereinfachten Konstitutivgesetzen verwendet. Diesem Modellierungsansatz liegen einige vereinfachende Annahmen zugrunde. Auf Seiten der Strukturmodellierung werden ebenbleibende Querschnittsfasern sowie vernachlässigbare Normalspannungen in Blechdickenrichtung vorausgesetzt.

Bei der Materialmodellierung wird vor dem Hintergrund der Vernachlässigung transversaler Normalspannungen das richtungsabhängige Materialverhalten ausschließlich in der Blechebene beschrieben und somit anisotrope Effekte außerhalb dieser vernachlässigt.

Bei bestimmten Blechumformprozessen stößt dieser Modellierungsansatz an seine Grenzen, da einige der getroffenen Annahmen nicht mehr gültig sind.

Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde ein alternativer Ansatz verfolgt. Bei diesem als „3D-Blechmodellierung" bezeichneten Ansatz werden Schalenelemente höherer Ordnung, die nicht den Restriktionen des Reissner-Mindlin-Modells unterliegen, zur Simulation von Blechumformprozessen genutzt. Diese werden mit 3D-Werkstoffmodellen kombiniert, welche den vollständig dreidimensionalen Verzerrungs- und Spannungszustand berücksichtigen.

Um diesen Ansatz verfolgen zu können, wurden im Rahmen des Forschungsprojektes entsprechende Schalenelemente höherer Ordnung entwickelt. Zudem wurde die Methode der virtuellen Kennwertermittlung weiterentwickelt und damit Parameter für 3D-Fließortmodelle für einen Aluminium- und einen Stahlwerkstoff bestimmt.

Anhand von numerischen Benchmarks und Vergleichen mit Versuchsergebnissen werden die prinzipielle Anwendbarkeit und die Verbesserung der Ergebnisqualität durch die 3D-Blechmodellierung demonstriert.

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben „Verbesserte Blechumformsimulation durch 3D-Werkstoffmodelle und erweiterte Schalenformulierungen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19707N 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. 532 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

For the simulation of sheet metal forming processes, shell elements based on the Reissner-Mindlin model in combination with simplified constitutive laws are usually used according to the current state of the art. This modelling approach is based on some simplifying assumptions. In structural modeling, flat cross-sectional fibers and negligible normal stresses in thickness direction of the sheet are assumed.

In material modeling, the direction-dependent material behavior is only described in the sheet plane and thus anisotropic effects outside this plane are neglected. For certain sheet metal forming processes this modeling approach reaches its limits, because some of the assumptions made are no longer valid.

Within the scope of this research project, we take an alternative approach. This approach, called "3D sheet metal modeling", uses higher order shell elements, which are not subjected to the restrictions of the Reissner-Mindlin model, for the simulation of sheet metal forming processes. They are combined with three-dimensional material models, which take the fully three-dimensional strain and stress state into account.

To be able to follow this approach, we developed higher order shell elements within this research project. In addition, the method of "virtual testing" was developed further and parameters of 3D yield criteria for an aluminum and for a steel alloy were identified.

Using numerical benchmarks and comparisons with experimental results, the principle applicability and the improvement of the result quality by 3D sheet metal modelling is demonstrated.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
1.1 Zielsetzung
1.2 Vorgehensweise
2 Experimentelle Charakterisierung
2.1 Werkstoffe
2.2 Zugversuche
2.3 Rückstreuelektronenbeugung (EBSD)
3 Virtuelle Versuche und 3D-Fließortanpassung
3.1 Grundlagen der virtuellen Kennwertermittlung
3.2 Aufbau und Validierung der Mikrostrukturmodelle
3.3 Erweiterung zur Rasterung im 6D-Spannungsraum
3.4 Identifikation von Parametern für anisotrope 3D-Fließortmodelle
4 Verbesserung bestehender Schalenelemente
4.1 Schalenmodelle und finite Schalenelemente
4.2 Für die Blechumformung relevante Schalenmodelle
4.3 Identifikation eines Versteifungseffekts bei 3D-Schalenelementen
4.4 Erklärung und Beseitigung des Versteifungseffekts
4.4.1 Poisson-Dicken-Locking im geometrisch linearen Fall
4.4.2 Erklärung des Versteifungseffekts im geometrisch nichtlinearen Fall
4.4.3 Versteifungseffekt bei Schalenelement Nummer 25
5 Erweiterte Schalenmodelle und -elemente
5.1 Motivation für erweiterte Schalenmodelle
5.2 Studien zu zusätzlichen Moden
5.2.1 Kompatibilität von Freiheitsgraden
5.2.2 Zusätzliche Deformationsmoden
5.3 Hierarchisches Schalenmodell
5.4 Konsistente Approximation
5.5 Elementtechnologie
6 Simulation von Umformprozessen mittels 3D-Blechmodellierung
6.1 Ein-Element-Kontakttest
6.2 Biegung eines dicken Blechs
6.3 DD14-Biegeversuch
6.4 Ziehsicken-Versuch
6.5 Rollfalzen
7 Bewertung der Ergebnisse
7.1 Arbeitsschwerpunkt „3D-Werkstoffmodellierung" (Fraunhofer IWM)
7.2 Arbeitsschwerpunkt „Schalenformulierung" (IBB)
7.3 Arbeitsschwerpunkt „Abgleich Versuch / Simulation" (Fraunhofer IWM & IBB)
7.4 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
8 Literatur
9 Anhang
9.1 Werkstoffkennwerte AA6014-T4
9.2 Werkstoffkennwerte DX56D
9.3 Werkstoffkennwerte DD14

 


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