Kernthesen:
- Finite Schalenelemente höherer Ordnung kombinieren die Effizienz klassischer Schalenformulierungen mit der Genauigkeit dreidimensionaler Modelle.
- Dreidimensionale Stoffgesetze können mithilfe der virtuellen Werkstoffcharakterisierung hergeleitet werden.
- Die Kombination beider Ansätze führt zu deutlich verbesserten Simulationsergebnissen bei kritischen Umformprozessen, bei akzeptablem Anstieg der Rechenzeit.
Zusammenfassung:
Der Vortrag berichtet über Zwischenergebnisse eines Forschungsprojektes, in dem Wissenschaftler aus den Bereichen Strukturmechanik und Werkstoffmechanik gemeinsam das Ziel verfolgen, die numerische Simulation kritischer Umformprozesse durch die Kombination von erweiterten Schalenformulierungen und anisotropen 3D-Materialmodellen zu verbessern.
Die typischerweise zur Modellierung der Blechbauteile eingesetzten Schalenelemente stoßen bei bestimmten Anwendungsfällen an ihre Grenzen, da die getroffenen Annahmen wie z. B. das Ebenbleiben der Querschnitte und die Vernachlässigung der Normalspannungen in Blechdickenrichtungen nicht mehr gelten. Typische Beispiele sind die Umformung dicker Bleche, kleine Ziehradien, Umformen in der Nähe der Umformgrenzen sowie spezielle Prozesse wie Falzen, Prägen oder Abstrecken.
Die Anwendung bereits verfügbarer 3D- Schalenformulierungen ist in der industriellen Praxis bislang eher wenig verbreitet, obwohl u. a. für die zuvor genannten Fälle genauere Simulationsergebnisse zu erwarten sind. Allerdings wird auch bei diesen Schalenelementen ein Ebenbleiben der Querschnitte angenommen. Es ist außerdem zu beachten, dass solche erweiterten Schalenformulierungen ein volles 3D-Materialmodell benötigen, für das bei den vorliegenden anisotropen Blechwerkstoffen rein experimentell nicht ausreichend Charakterisierungsdaten ermittelt werden können.
Aus diesem Grund wird die in bereits zwei EFB-Projekten untersuchte Methode der „virtuellen Kennwertermittlung" für die Werkstoffcharakterisierung eingesetzt und auf 3D-Materialmodelle erweitert. Der Vortrag zeigt anhand numerischer Beispiele und Vergleichen mit experimentellen Ergebnissen, wie das bisher entwickelte Konzept die Prognosequalität verbessern kann.
Nutzen für KMU:
Der Nutzen besteht in der verbesserten Vorhersagegenauigkeit bei der Simulation kritischer Blechumformprozesse, d. h. bei Blechumformprozessen, für welche die numerische Modellbildung nach dem Stand der Technik nicht ausreichend ist.
Für die praktische Anwendung werden genauere Umformmodelle und somit eine Steigerung der Prognosefähigkeit erreicht. Mittelfristig können die erzielten Ergebnisse von der Blechumformung auch auf Fragestellungen aus dem Crashbereich übertragen werden und erschließen damit ein weiteres Anwendungsfeld. Aufwändige und teure Versuche können reduziert und eingespart werden.
Damit ist dieses Forschungsvorhaben für alle Unternehmen, die im Bereich der Prozessauslegung, Blech-verarbeitung und Bauteilentwicklung tätig sind, von großem Nutzen. Ein Mehrwert ist sowohl in der Entwicklung (Planung, Machbarkeitsstudien, Werkzeugkonstruktion) als auch in der Serienfertigung (Reduzierung des Ausschusses und der Nacharbeit, Einfluss Chargenschwankungen) zu erwarten.
Insbesondere KMU, die bei der Auslegung und Herstellung von Blechbauteilen aus wirtschaft-lichen Gründen den Werkstoff immer stärker ausnutzen müssen und die keine eigenen Ressourcen zur Verfügung haben, um sich intensiv in die Thematik der Simulation einzuarbeiten, können von diesem Vorhaben profitieren. Die Forschungsergebnisse sind darüber hinaus für Softwareunternehmen von Interesse, diee Programme für die Blechumformsimulation anbieten. Einerseits können damit bereits implementierte Modellansätze eine größere Akzeptanz bei den Anwendern finden, andererseits können die erarbeiteten Vorschläge für neue Schalenformulierungen direkt in die Programme übernommen werden.
Projekt:
Grundlage dieses Beitrags sind die Ergebnisse des IGF-Projektes „Verbesserte Blechumformsimulation durch 3D-Werkstoffmodelle und erweiterte Schalenformulierungen" (19707N).
Referent: Prof. Dr.-Ing. habil. Manfred Bischoff, Institut für Baustatik und Baudynamik, Universität Stuttgart
