Blechumformsimulation

Um eine möglichst präzise Vorhersage aus Finite-Elemente-Modellen zu erhalten sind sowohl die strukturmechanische Modellbildung als auch die detaillierte Beschreibung des Werkstoffs in Form von Werkstoffmodellen von großer Bedeutung. Bei bestimmten Anwendungsfällen stoßen Schalenelemente nach derzeitigem Stand der Technik an ihre Grenzen. Der Grund hierfür besteht darin, dass bei bestimmten Umformprozessen die getroffenen Annahmen der Schalenformulierung wie zum Beispiel die Vernachlässigung der Normalspannungen in Blechdickenrichtung und insbesondere das Ebenbleiben der Querschnitte nicht mehr gelten. Typische Fälle bei denen diese Annahmen kritisch werden können, sind die Umformung dicker Bleche bzw. die Umformung bei kleinen Radien. Dabei ist nicht die absolute Blechdicke entscheidend, sondern das Verhältnis zwischen der Blechdicke und der Bauteilgeometrie. Dünne Bleche (z. B. mit Blechdicke 1 mm) können bei entsprechend kleinen Radien daher schon kritisch sein. Es existieren weiterhin auch eine Reihe spezieller Umformprozesse bzw. Folgeoperationen wie zum Beispiel Abstrecken, Rollformen, Falzen oder Bördeln, die mit Standard-Schalenelementen nur unzureichend abbildbar sind. Die Anwendung von Volumenelementen (Solid-Elementen) bietet nur in Einzelfällen eine Alternative, da eine sehr feine Diskretisierung in alle drei Raumdimensionen erforderlich ist.

Bei erweiterten Schalenformulierungen wird die vereinfachte Annahme verschwindender Quernormalspannungen fallen gelassen. Daher benötigen diese Formulierungen im Gegensatz zu Standard-Schalenelementen ein 3D-Materialmodell, welches alle Spannungs- und Dehnungskomponenten berücksichtigt. Im Hinblick auf die bei Blechen auftretende Anisotropie des Werkstoffs muss in diesem Fall der Blechwerkstoff sowohl in der Blechebene als auch in Blechdickenrichtung charakterisiert werden, um die benötigten Parameter der 3D-Materialmodelle zu bestimmen. Für die klassische Werkstoffcharakterisierung stellt dies eine große Schwierigkeit dar, da experimentelle Untersuchungen außerhalb zur Blechebene sehr schwierig bzw. nicht in ausreichender Genauigkeit realisierbar sind. Im Rahmen des Projekts wurde die Methode der „virtuellen Kennwertermittlung“ am Fraunhofer IWM weiterentwickelt und für die Charakterisierung von Blechwerkstoffen außerhalb der Blechebene angewendet.

Ein Schwerpunkt der Arbeiten am IBB in diesem Forschungsvorhaben besteht in der Weiterentwicklung von Schalenformulierungen speziell für die Anforderungen von Blechumform-Simulationen. Durch geeignete Erweiterungen der Schalen-Kinematik werden diese Elemente in die Lage versetzt, kritische Umformprozesse genauer abbilden zu können. Die unten gezeigte Abbildung visualisiert die Deformationsmöglichkeiten des neu entwickelten Elements. Links in der Abbildung ist die Geometriebeschreibung einer gewöhnlichen 7-Parameter-Schale dargestellt. Die graue Fläche stellt dabei die Schalenmittelfläche dar, die weiteren Linien visualisieren Querschnittsfasern sowie die Dicke der Schale. Die neu entwickelte Schale ist zusätzlich in der Lage, eine quadratische Verwölbung des Querschnitts (mittig in der Abbildung) sowie eine kubische Verwölbung (rechts) und beliebige Kombinationen daraus darzustellen.

Zum Vergleich der simulativ ermittelten Querschnittsverwölbung mit experimentellen Daten wurde im Rahmen des Projekts ein Ziehsickenversuch durchgeführt. Zur Untersuchung der Verwölbung des Blechs in Blechdickenrichtung wurden die Proben mit kleinen Löchern versehen. Nach dem Ziehsickendurchlauf wurden die Proben metallographisch untersucht, um die Verwölbung des Querschnitts sichtbar zu machen. Die unten dargestellte Abbildung stellt beispielhaft die im Versuch ermittelte Entwicklung der Querschnittsverwölbung einer Simulation mit Solid-Elementen und dem neu entwickelten Schalenelement gegenüber. Qualitativ stellt sich sowohl bei den Solids als auch beim neu entwickelten Schalenelemente eine zum Versuch ähnliche Querschnittsverwölbung ein. Bei der Verwendung von Standard-Schalenelementen, wie sie heute im industriellen Kontext bei Blechumformsimulationen eingesetzt werden, könnte diese Verwölbung nicht abgebildet werden.

Neben der kinematischen Erweiterung steht die numerische Effizienz der zu entwickelnden Elemente im Fokus, damit diese für Umformsimulationen in der industriellen Praxis geeignet sind. Dies betrifft unter anderem die Beseitigung bestehender sowie die Vermeidung neuer künstlicher Versteifungseffekte.

Projekttitel:
Verbesserte Blechumformsimulation durch 3D-Werkstoffmodelle und erweiterte Schalenformulierungen
Förderung:
Teil 1: AiF-Nr.: 19707N; EFB-Nr.: 09/117
Teil 2: AiF-Nr.: 21466N; EFB-Nr.: 06/219
Projektpartner:
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik (IWM), Freiburg