Maximilian Schilling

Abstract

Sheet metal forming simulations are crucial in various industries, such as automotive, aerospace, and construction. These simulations are commonly carried out using Reissner-Mindlin shell elements, which involve certain simplifying assumptions about zero normal stress in shell normal direction and cross-sectional fibers remaining straight during deformation 1. Because of this, the material model needs to be modified and no three-dimensional material model can be used. However, in critical forming situations such as bending with small radii relative to the sheet thickness, these assumptions do not hold, resulting in inaccurate simulation results. To address this issue, a higher-order 3D-shell element that incorporates a full three-dimensional constitutive model and that can account for cross-sectional warping and higher-order strain distributions has been developed 2. First findings on the benefits of using higher-order 3D-shell elements for accurately modeling sheet metal forming processes were presented in 3. The objective of this study is to expand upon this work by assessing the accuracy of simulations utilizing the higher-order 3D-shell element for critical sheet metal forming processes. Results of simulations with the higher-order 3D-shell elements are compared to experimental data and results obtained from simulations with solid elements and Reissner-Mindlin shell elements. It is demonstrated that simulations with higher-order 3D-shell elements provide more accurate predictions in sheet metal forming processes than the standard modeling approach, including but not limited to stress. Furthermore, we aim to support the efficient utilization of the higher-order 3D-shell element by identifying situations in which the additional deformation modes of this element are beneficial, and in which application of a standard shell element suffices. To achieve this, we analyze the influence of its higher-order deformation modes on the strain for parameter alterations in benchmark problems. To aid the modeling decision, mesh studies are conducted to quantify the influence of the element size on the results quality. Lastly, a comparison of numerical efficiency of different element formulations is given, showing the high efficiency of higher-order 3D-shell elements compared to solid elements. This contribution is part one of a two-part series that aims to present recent improvements of sheet metal forming simulations through a combination of higher-order 3D-shell elements and anisotropic 3D yield models. Part I focuses on the assessment of higher-order 3D-shell elements, while Part II investigates the effect of anisotropic 3D yield models with respect to the in-plane and out-of-plane behavior on sheet metal forming simulations. Together, these contributions aim to provide a comprehensive overview of the latest advances obtained in a joint research project at the Fraunhofer IWM in Freiburg and the Institute for Structural Mechanics at the University of Stuttgart.

Abstract

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.