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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.

Abstract

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. 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.