FE-Modellierung der Halbwarmumformung von 7000er-Aluminiumblech und Voraussage der Bauteileigenschaften nach der Auslagerung mit KNN
Verfasser:
M. Sc. Dominyka Vasquez-Ramirez, M. Sc. Jan Jepkens, Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) Leibniz Universität Hannover
99 Seiten - 75,00 EUR (Print, sw, 41 teils farbige Abb., 11 Tab.) 60,00 EUR (Digital, durchgehend farbig)
ISBN 978-3-86776-689-0
Zusammenfassung
Das Potenzial des Einsatzes von Aluminiumlegierungen der 7000er-Serie für den Leichtbau im Automobilbereich wird durch die begrenzte Umformbarkeit bei Raumtemperatur eingeschränkt. Durch eine Warm- oder Halbwarmumformung kann die Umformbarkeit verbessert werden. Die Vorteile der Halbwarmumformung liegen im Vergleich zur Warmumformung im geringeren Energieverbrauch aufgrund der geringeren Umformtemperatur bei vergleichbarer Umformbarkeit. Diese Arbeit befasst sich daher mit der Analyse des dehnraten- und temperaturabhängigen Verhaltens von EN AW-7075 im Zustand T6. Zu diesem Zweck wurde eine experimentelle Charakterisierung unter Verwendung von Scher- und einachsigen Zugversuchen, Schichtstauchversuchen, Flachstauchversuchen und Nakajima-Versuchen bei Temperaturen von 20 bis 275 °C und Dehnraten von 0,01 bis 1 s-1 durchgeführt. Die Versuchsergebnisse wurden zur Kalibrierung und Erstellung eines temperatur- und dehnratenabhängigen Plastizitätsmodells unter Verwendung des Verfestigungsgesetzes von Hockett-Sherby verwendet.
Zur Modellierung des Versagens wurde eine temperaturabhängige Grenzformänderungskurve berechnet. Zusätzlich wurden verschiedene Fließkriterien angewandt, um einen temperaturabhängigen Fließort für eine konstante Dehnungsrate vorherzusagen. An-schließend wurde die Entwicklung und Validierung einer Finite Elemente (FE) Simulation der Halbwarmumformung eines industriellen Verstärkungsteils aus dem Blechwerkstoff EN AW-7075-T6 betrachtet. Das in Abaqus modellierte FE-Modell beinhaltet eine experimentelle Untersuchung des Materialverhaltens, die den dehnraten und temperaturabhängigen Materialfluss, das temperaturabhängige Grenzformänderungsdiagramm, die temperatur- und druckabhängige Reibung und den druckabhängigen Wärmeübergang umfasst. Zur Validierung des numerischen Modells wurde ein industrieller Halbwarmumformungsprozess eines Verstärkungsbauteils durchgeführt und die Ergebnisse mit der Simulation in Bezug auf Geometrie und Versagen verglichen.
Die Ergebnisse zeigen eine sehr gute Übereinstimmung des geometrischen Flächenvergleichs und der Versagensorte. Schließlich wurde durch die Kombination von FE-Simulation und einem Metamodell, die Möglichkeit geschaffen die Gebrauchseigenschaften bereits bei der numerischen Prozessauslegung zu berücksichtigen. Das Ersatzmodell besteht aus der validierten FE-Simulation der Halbwarmumformung und einem trainierten Random Forest Regressor zur Vorhersage der Bauteileigenschaften nach einer Warmauslagerung während einer kathodischen Tauchlackierung (KTL). Die Daten für das Training wurden experimentell generiert, indem unterschiedliche thermo-mechanisch vorbelastete Zugproben nach einer KTL-Behandlung im Zugversuch geprüft wurden. Zur Validierung des Ersatzmodells wurden die vorhergesagte Zugfestigkeit und Gleichmaß-dehnung mit den Kennwerten von Zugversuchen verglichen, dessen Proben aus den industriellen Demonstratorbauteilen entnommen wurden. Für Bereiche des Demonstrators, deren Umformhistorie innerhalb der Grenzen des Trainingsdatensatzes für das Metamodell liegen, wird eine gute Übereinstimmung erzielt. Für lokale Positionen, deren Umformhistorie außerhalb des Trainingsbereichs liegen, treten jedoch signifikante Abweichungen auf.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben "FE-Modellierung der Halbwarmumformung von 7000er-Aluminiumblech und Voraussage der Bauteileigenschaften nach der Auslagerung mit KNN" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer EFB/IGF01IF21645N) 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. 620 erschienen und im EFB-Shop https://shop.efb.de und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The potential of utilising aluminium alloys of the 7000 series for lightweight construction in the automotive sector is constrained by the limited formability at room temperature. Formability can be improved by hot or warm forming. Compared to hot forming, the advantages of warm forming are lower energy consumption due to reduced forming temperature with similar formability. This work is therefore concerned with the analysis of strain rate and temperature dependent behaviour of EN AW-7075 in T6 state. For this, experimental characterisation has been performed using uniaxial and shear tension, layer compression, plane strain compression and Nakajima tests over temperatures of 20 to 275 °C and strain rates of 0,01 to 1 s-1.
The experimental results are used to calibrate and build a temperature and strain rate dependent plasticity model using Hockett-Sherby hardening law. For failure modelling, a temperature dependent forming limit curve was calculated. Additionally, various yield criteria were applied to predict a temperature dependent yield locus for a constant strain rate. Subsequently, the development and validation of a Finite-Element (FE) simulation of warm forming of an automotive bumper made of EN AW-7075-T6 sheet material is considered. To effectively implement a warm forming process, a comprehensive identification of the optimal process parameters is essential, which can be accomplished through numerical analysis.
The FE model, modelled in Abaqus, incorporates experimental material behaviour study, encompassing strain rate and temperature dependent material flow, temperature de-pendent forming limit diagram, temperature and pressure dependent friction and pres-sure dependent heat transfer. For the validation of the numerical model, an experimental warm forming process of an automotive reinforcing component is carried out and the results are compared to the simulation in terms of geometry and failure. The results show very good agreement between the geometric surface comparison and the failure mode during validation. Finally, the combination of FE simulation and a metamodel made it possible to take the service properties into account as early as the numerical process design stage.
The replacement model consists of the validated FE simulation of warm forming and a trained random forest regressor for predicting the component properties after artificial ageing during cathodic dip coating. The data for the training were generated experimentally by testing different thermo-mechanically loaded tensile specimens after a cathodic dip painting treatment in a tensile test. To validate the model, the predicted residual tensile strength and residual uniform elongation were compared with the characteristic values of tensile tests whose samples were taken from the industrial demonstrator component. For areas of the demonstrator whose forming history is within the limits of the training data set for the metamodel, a good agreement is shown. However, significant deviations occur for local positions whose forming history lies outside the training range.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Aluminium in der Automobilindustrie
2.2 Wärmebehandlung von 7000er Aluminiumlegierungen
2.3 Numerische Prozessauslegung
2.4 Einsatz künstlicher neuronaler Netze
3 Material und Methoden
3.1 Werkstoffauswahl und Definition der Prozessroute
3.2 Charakterisierung des Fließbeginns
3.3 Temperaturabhängiges Grenzformänderungsvermögen
3.4 Analyse der Reibung und des Wärmeübergangs
3.5 Entwicklung eines FE-basierten Stoffgesetzes und KNN
3.6 Validierung des Simulations- und Ersatzmodells anhand eines industrienahen Demonstratorbauteils
4 Ergebnisse der Materialcharakterisierung
4.1 Temperaturabhängige Fließortkurve
4.2 Temperatur- und dehnratenabhängiges Fließverhalten
4.3 Temperaturabhängiges Grenzformänderungsdiagramm
4.4 Temperatur- und druckabhängiger Reibwert und druckabhängiger Wärmeübergangskoeffizient
5 Ergebnisse der FE-Modelle und des Ersatzmodells
5.1 Verifizierung der Materialcharakterisierungsdaten
5.2 Aufbau und Validierung des numerischen Modells zur Halbwarmumformung
5.3 Entwicklung einer Schnittstelle zwischen dem FE-Modell und dem Metamodell
5.4 Entwicklung, Training und Validierung des Metamodells
6 Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick
6.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
7 Literaturverzeichnis
