Verbesserte Blechumformsimulation durch 3D-Werkstoffmodelle und erweiterte Schalenformulierungen - Teil 2
Verfasser:
M.Sc. Alexander Wessel, Dr.-Ing. Alexander Butz, Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik Freiburg im Breisgau - M.Sc. Maximilian Schilling, M.Sc. Tobias Willmann, Prof. Dr.-Ing. habil. Manfred Bischoff, Institut für Baustatik und Baudynamik, Universität Stuttgart
146 Seiten - 92,00 EUR (sw, 102 teils farbige Abb., 6 Tab.) 
ISBN 978-3-86776-676-0
Zusammenfassung
Der Stand der Technik bei der Simulation von Blechumformprozessen ist die Verwendung von Schalenelementen, die auf dem Reissner-Mindlin-Modell beruhen und mit vereinfachten Materialmodellen verwendet werden.
Dieser Modellierungsansatz basiert auf einigen vereinfachenden Annahmen. Für die Strukturmodellierung werden ein Ebenbleiben der Querschnittsfasern und vernachlässig-bare Normalspannungen in Blechdickenrichtung angenommen. Für die Materialmodellierung wird das richtungsabhängige Materialverhalten nur in der Blechebene abgebildet und damit werden anisotrope Effekte außerhalb der Blechebene vernachlässigt.
Dieser Modellierungsansatz erreicht bei bestimmten Blechumformprozessen seine Grenzen, da einige der getroffenen Annahmen nicht mehr zutreffen.
Dieses Forschungsvorhaben verfolgte die Weiterentwicklung eines alternativen Ansatzes zur Simulation von Blechumformprozessen und die Qualifizierung dieses Ansatzes für den industriellen Einsatz.
Der Ansatz, der im Folgenden als „3D-Blechmodellierung" bezeichnet wird, nutzt 3D-Schalenelemente höherer Ordnung, die nicht den Einschränkungen des Reissner-Mindlin-Modells unterworfen sind, für die Simulation von Blechumformprozessen. Diese werden mit 3D-Materialmodellen verbunden, die einen vollständigen dreidimensionalen Dehnungs- und Spannungszustand berücksichtigen.
Für diesen Ansatz wurden im Rahmen des Forschungsvorhabens die im Vorgängerprojekt entwickelten 3D-Schalenelemente höherer Ordnung bezüglich unterschiedlicher Aspekte verbessert. Außerdem wurde die Methode der »virtuellen Versuche« verbessert und für eine weitere Werkstoffklasse qualifiziert.
Numerische Benchmarks, Vergleiche mit Versuchsergebnissen und Simulationen von Realbauteilen zeigen die erhöhte Ergebnisqualität der 3D-Blechmodellierung und die erfolgreiche Qualifizierung für den industriellen Einsatz.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben "Verbesserte Blechumformsimulation durch 3D-Werkstoffmodelle und erweiterte Schalenformulierungen - Teil 2" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 21466N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 607 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The current state of the art for simulating sheet metal forming processes is the use of shell elements based on the Reissner-Mindlin model with simplified constitutive laws. This modelling approach is based on certain assumptions.
For the structural modelling, it is assumed that the cross-sectional fibres remain straight and that the normal stresses in the sheet thickness direction are negligible. For the material modelling, the direction-dependent material behaviour is only considered in the sheet plane and thus anisotropic effects outside this plane are neglected. However, this ap-proach has limitations for some sheet metal forming processes where some of these assumptions are no longer valid.
To address these limitations, this research project aimed to further develop an alternative approach for simulating sheet metal forming processes and to qualify it for the industrial application.
This new approach, referred to as "3D sheet metal modelling", uses higher-order 3D shell elements, which are not subject to the restrictions of the Reissner-Mindlin model, for the simulation of sheet metal forming processes. These are combined with 3D material mod-els that consider a full three-dimensional strain and stress state.
For this approach, the higher-order 3D shell elements developed in the previous project were improved with regard to various aspects as part of the research project. In addition, the method of »virtual experiments« was also enhanced and qualified for an additional material class.
Numerical benchmarks, comparisons with experimental results and simulations of real components show the improved quality of this new modelling approach.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
1.1 Ausgangssituation
1.2 Zielsetzung
1.3 Lösungsweg
2 Experimentelle Werkstoffcharakterisierung
2.1 Werkstoffe
2.2 Rückstreuelektronenbeugung
2.3 Zugversuche
2.4 Hydraulische Tiefungsversuche
3 Identifizierung von Parametern für anisotrope 3D-Fließortmodelle mittels virtueller Versuche
3.1 Einführung virtuelle Versuche
3.2 Verwendetes Einkristallplastizitätsmodell
3.3 Anwendung auf Aluminiumlegierung AA6014-T4
3.4 Anwendung auf Tiefziehstahl DX56D
3.5 Erweiterung von »virtuellen Versuchen« auf Dualphasenstähle
3.6 Anwendung auf Dualphasenstahl HCT780X
4 Weiterentwicklung der erweiterten Schalenelemente
4.1 Schalenmodelle und finite Schalenelemente
4.2 Für die Blechumformung relevante Schalenmodelle
4.3 3D-Schalenelement höherer Ordnung
4.4 Maßnahmen zur Behebung von Versteifungseffekten in der Schalenebene
4.5 Maßnahmen zur Reduktion der Rechenzeit pro Zeitschritt
4.5.1 Reduzierte Integration
4.5.2 3D-Schalenelemente höherer Ordnung mit reduzierten Deformationsmoden
4.5.3 Effiziente Transformation der velocity strains
4.5.4 Vergleich der numerischen Effizienz pro Zeitschritt
4.6 Maßnahmen zur Vergrößerung des kritischen Zeitschritts
4.6.1 Massenskalierung
4.6.2 Hexaeder-Zeitschrittschätzung und datenbasierte Zeitschrittschätzung
4.7 Gemischte Netze und Modelladaptivität
4.7.1 Kopplung der Freiheitsgrade
4.7.2 Kopplung der Fließortmodelle
4.7.3 Position der Kopplung
5 Vereinfachende Annahmen in kommerziellen Programmen und Einfluss der Elementgröße
5.1 Untersuchung vereinfachender Annahmen in kommerziellen Finite-Elemente- Programmen
5.1.1 Einzel-Element-Tests
5.1.2 Multi-Element-Tests
5.2 Untersuchungen zum Einfluss der Elementgröße
5.2.1 Problembeschreibung
5.2.2 Ergebnisse zum Einfluss der Elementgröße
6 Experimentelle Modellversuche
6.1 Zugversuche mit DIC-Messung
6.2 Streckbiegeversuche
7 Bewertung der Simulation von Umformprozessen mittels 3D-Blechmodellierung
7.1 Uniaxialer Zugversuch
7.2 3-Punkt-Biegeversuch
7.3 Hydraulischer Tiefungsversuch
7.4 Hutprofil mit Doppelsicke
7.5 Streckbiegeversuch
7.6 Karosseriebauteil RWU-80
8 Bewertung der Ergebnisse
8.1 Arbeitsschwerpunkt „3D-Werkstoffmodellierung" (Fraunhofer IWM)
8.2 Arbeitsschwerpunkt „Weiterentwicklung der Schalenformulierung" (IBB)
8.3 Arbeitsschwerpunkt „Prognosequalität der 3D-Blechmodellierung" (Fraunhofer IWM & IBB)
9 Ergebnisse und Ausblick
9.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
10 Literatur
