Erweiterte Schalenmodelle und 3D-Werkstoffmodelle für die Umformsimulation

Die Methode der finiten Elemente ist ein etabliertes Werkzeug zur Auslegung, Gestaltung und Optimierung von Blechumformprozessen. In der Regel werden hierfür Schalenelemente in Kombination mit einem 2D-Werkstoffgesetz verwendet. 

Im Fall von dicken Blechen, kleiner Ziehradien sowie bei bestimmten Prozessen wie beispielsweise Falzen, Abstrecken, Prägen oder Rollformen stößt dieser Modellierungsansatz jedoch an seine Grenzen, da einige der diesem zugrundeliegenden Annahmen nicht mehr gültig sind. Ein Lösungsansatz zur Verbesserung der Vorhersagbarkeit dieser Blechumformprozesse ist die Verwendung von Schalenelementen höherer Ordnung in Kombination mit einem 3D-Werkstoffgesetz, was im Folgenden als „3D-Blechmodellierung“ bezeichnet wird.

Das Ziel dieses Merkblattes ist es, die Anwender in die Thematik der erweiterten Schalenformulierungen und 3D-Werkstoffgesetze einzuführen, sodass diese zur Simulation der o.g. Blechumformprozesse eingesetzt werden können. Grundlage dieses Merkblatts sind die Ergebnisse der Untersuchungen im Rahmen des IGF-Projektes „Verbesserte Blechumformsimulation durch 3D-Werkstoffmodelle und erweiterte Schalenformulierungen“ (19707N), erschienen als EFB-532.

Dabei wurden vorhandene Versteifungseffekte in 3D-Schalenelementen verstanden und beseitigt sowie ein neues Schalenelement höherer Ordnung mit kubischen Geometrie- und Verzerrungsverläufen in Dickenrichtung entwickelt. Weiterhin wurden mittels eines virtuellen Labors Materialparameter für 3D-Materialmodelle bestimmt. Schwerpunkt waren hierbei anisotrope 3D-Fließortmodelle. In Kombination ermöglichen diese beiden Bausteine die Anwendung der 3D-Blechmodellierung für Blechumformprozesse.

Inhalt
Schlagworte
1 Ziel und Zweck des Merkblatts
2 Grundlagen
2.1 Schale und Schalenmodell
2.2 Finite Elemente für Schalen
2.3 Materialmodellierung
3 Vergleich verschiedener Schalenmodelle
3.1 Schalenmodell nach Kirchhoff-Love
3.2 Schalenmodell nach Reissner-Mindlin
3.3 3D-Schalenmodell & Schalenmodelle höherer Ordnung
3.4 Identifikation von geeigneten Schalenelementen für die 3D-Blechmodellierung
4 Anwendung von erweiterten Schalenelementen in der Umformpraxis
4.1 Anwendungsfelder
4.2 3D-Werkstoffmodelle
4.3 Modellerstellung: Unterschiede und Gemeinsamkeiten zur bisherigen Vorgehensweise
5 Ermittlung von 3D-Fließortparametern mittels „Virtueller Kennwertermittlung“
5.1 Grundlegendes Konzept
5.2 Erweiterung des Spannungsraums
5.3 Anpassungsstrategien zur Identifikation der Parameter
5.4 Beispiele: Aluminiumlegierung AA6014 und Tiefziehstahl DX56D
6 Einfluss der unterschiedlichen Modellierungsansätze auf die Simulation von biegedominierten Umformprozessen
6.1 Biegung eines dicken Blechs
6.2 Rollfalzen
7 Literatur