Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Dummy Shell Methode zur Modellierung elastischer Maschinen- und Werkzeugeinflüsse auf den Blechumformprozess

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1 Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Dummy Shell Methode zur Modellierung elastischer Maschinen- und Werkzeugeinflüsse auf den Blechumformprozess Bearbeiter Dipl.-Ing. S. Kriechenbauer (TU Dresden) Gliederung Umformsimulation mit LS-Dyna Anwendung der Hybridvernetzung Reverse Engineering mit Hybridvernetzung Zusammenfassung Dresden,

2 Einsatzgebiete der Umformsimulation Projektierung Entwicklung Produktion Prozessverständnis Variantenvergleich Produktionsplanung Kostenabschätzung Kennzahlermittlung Objektivierung Konzeptionierung Prozessabsicherung Optimierung Prozessoptimierung Änderungsvorgänge Einflüsse aus Werkstück, Werkzeug und Maschine auf den Blechumformprozess TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 2 von 25

3 Anforderungen an die Umformsimulation Stand der Technik Platine und Werkstoff - einf. Wst.-modelle Wirkfuge Platine-WZ - konst. Reibzahl Werkzeuge - starre RB - starre Wirkflächen Maschine - starre RB - quasistat. Stößelweg Zieheinrichtung - starre ZK-Lagerung - konst. NH-Kraft - quasistat. NH-Weg Realität Veränderlich WZ-Verlagerung WZ-Verformung St-Verlagerung Hubzahl, Kinematik NH-Verlagerung Druckverteilung Geschw.-verlauf Stand der Forschung Werkzeuge - elast. Lagerung - elast. Körper Maschine - elast. Stößellagerung - reale Geschw.-verläufe Zieheinrichtung - elast. ZK-Lagerung - örtl. u. zeitl. NH-Kraftvert. - NH-Weg-Zeit-Verlauf TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 3 von 25

4 Vergleich zw. herkömmlicher und erw. Umformsimulation Modell mit starren RB Modell mit elast. RB TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 4 von 25

5 Modellumfang je nach Einsatzgebiet Projektierung Entwicklung Produktion einfache Modelle mit vielen Annahmen möglichst genaue (vollst.) und konkretisierte Modelle notwendig angewandte und validierte Modelle Wirtschaftlichkeit TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 5 von 25

6 Reduktionsmöglichkeiten von Umformmodellen Institut für Werkzeugmaschinen Vollständiges Modell Reduziertes Modell Red. Werkzeugmodell Elastisch gelagerter Stempel und NH Pressenmodell Werkzeugmodell Diskretisierungsverfahren Elastisches Werkzeug Elastisch gelagerte Werkzeuge Randbedingungen Reduziertes elastisches Werkzeug Modellreduktion des WZ FEM, EFG, BEM, MKS Ersatzfedern (transl., rot., nichtlinear, ) Kondensiert / Superelement Flexible Rigid Bodies Hybridvernetzung Haufe, A. et al.: Konzepte zur Abbildung großer Werkzeugstrukturen mit reduzierten Modellen in der Blechumformung. 12. WZM Fachseminar Dresden. TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 6 von 25

7 Kondensation mit Superelementen statische Kondensation des elast. WZ-Körpers Kontaktfläche als Superelement + in LS-Dyna R4.2.1 implementiert *ELEMENT_DIRECT_MATRIX_INPUT - große Datenmengen bereits bei kleinen Modellen - keine effektive Rechenzeitverkürzung Haufe, A. et al.: Sheet Metal Forming Simulation with elastic Tools in LS-Dyna. Numisheet Interlaken. Switzerland. TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 7 von 25

8 Zerlegung in Eigenformen F, s 1 f s 1 2 f2 + in LS-Dyna R4.2.1 implementiert *PART_MODES + geringe Anforderung an Speicher - Eigenwertanalyse notwendig - in jedem Zeitschritt ist die Superpostion der Schwingformen erneut durchzuführen - Frequenzband bestimmt Genauigkeit bei der Berechnung bei lokalen Deformationen TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 8 von 25

9 Hybridvernetzung von Umformwerkzeugen Kombination unterschiedlicher FE-Netze Institut für Werkzeugmaschinen starres Segment Blech feine Vernetzung der Kontaktfläche Dummy Shells grobe Vernetzung des WZ-Körpers *CONTACT_FORMING *CONTACT_TIED + mit LS-Dyna R4.2.1 möglich *CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_ CONSTRAINED_OFFSET Haufe, A. et al.: Sheet Metal Forming Simulation with elastic Tools in LS-Dyna. Numisheet Interlaken. Switzerland. TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 9 von 25

10 Hybridvernetzung von Umformwerkzeugen + Kontaktmodellierung mit Schalen ist Stand der Technik + elast. Durchbiegung wird ausreichend genau abgebildet + einf. Änderung oder Austausch der Kontaktfläche möglich Institut für Werkzeugmaschinen + Rechenzeitverkürzung, Dummy Shell haben keinen Einfluss auf expliziten Zeitschritt - höherer Modellierungsaufwand - Methode funktioniert nur mit der MPP-Version von LS-Dyna TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 10 von 25

11 Kontaktmodell *CONTACT_TIED Institut für Werkzeugmaschinen Realisierung eines nichtkonsistenten Netzüberganges verringert den Aufwand bei der Modellerstellung LS-Dyna bietet Übergang mit Transformation der transl. DOF von Flächen auf Flächen transl. DOF von Knoten auf Flächen transl. und rot. DOF von Knoten Abbildung von Delaminationsvorgängen möglich Slave-Knoten werden mit Zwangsbedingungen an die Master-Segmente gebunden Slave-/Master-Knoten dürfen keine anderen Zwangsbed. besitzen Master-Körper Slave-Partner Tied interface ermöglicht Netzübergang TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 11 von 25

12 Kontaktalgorithmus *CONTACT_TIED Institut für Werkzeugmaschinen Zu Beginn wird ein interpolierter Kontaktknoten c, c berechnet Zu jedem Zeitschritt werden die Knotenkräfte/-masse des Slave-Partners auf die Master-Knoten verteilt f i m i, c c f s Danach wird die Beschleunigung am Master-Segmentes berechnet und auf die Slave-Knoten interpoliert ai s 4 j 1 j c c, a j i TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 12 von 25

13 LS-Dyna Keyword *CONTACT_TIED *CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_CONSTRAINED_OFFSET_ID $# cid title 1 $# ssid msid sstyp mstyp sboxid mboxid spr mpr $# fs fd dc vc vdc penchk bt dt 20 $# sfs sfm sst mst sfst sfmt fsf vsf -5 $# soft sofscl lcidab maxpar sbopt depth bsort frcfrq 1.2 $# penmax thkopt shlthk snlog isym i2d3d sldthk sldstf $# igap ignore dprfac dtstif unused unused flangl feine vernetzte Wirkfläche (SLAVE) MST untied nodes MAXPAR tied search space MST und MAXPAR sind abhängig von den Netzgrößen MST umso größer je gröber WZ-Netz, Solver warnt vor leeren Mastersegmenten grobes WZ-Netz (MASTER) TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 13 von 25

14 LS-Dyna Keyword *CONTACT_TIED Institut für Werkzeugmaschinen *CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_CONSTRAINED_OFFSET_ID $# cid title 1 $# ssid msid sstyp mstyp sboxid mboxid spr mpr $# fs fd dc vc vdc penchk bt dt 20 $# sfs sfm sst mst sfst sfmt fsf vsf -1-5 $# soft sofscl lcidab maxpar sbopt depth bsort frcfrq 1.2 $# penmax thkopt shlthk snlog isym i2d3d sldthk sldstf $# igap ignore dprfac dtstif unused unused flangl Master abs( SST ), wenn SST 0 von LS-Dyna berechnet 0.05 min_master_diag max 0.6 avg_slave_master_thickness Slave zusätzl. gebundene Knoten TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 14 von 25

15 LS-Dyna Keyword *CONTACT_TIED *CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE_CONSTRAINED_OFFSET_ID $# cid title 1 $# ssid msid sstyp mstyp sboxid mboxid spr mpr $# fs fd dc vc vdc penchk bt dt 20 $# sfs sfm sst mst sfst sfmt fsf vsf 1-5 $# soft sofscl lcidab maxpar sbopt depth bsort frcfrq 1.2 $# penmax thkopt shlthk snlog isym i2d3d sldthk sldstf $# igap ignore dprfac dtstif unused unused flangl Slave SST 0 Offsetierung mit SST erforderlich, da Dummy Shells eine Dicke besitzen Master globale Angabe, d.h. Dickenveränderungen werden im Kontakt nicht mehr berücksichtigt, in der Blechumformung jedoch notwendig TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 15 von 25

16 Hybridvernetzung am Napfwerkzeug Niederhalter Ziehrichtung Ziehring Ziehring Damit Blechdickenänderung im Kontakt berücksichtigt werden kann, werden Wirkflächen um die halbe Schalendicke offsetiert. Niederhalter Stempel (Starrkörper) TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 16 von 25

17 Simulationsergebnisse für das Napfwerkzeug Institut für Werkzeugmaschinen Blechdickenreduktion in % Normalkontaktdruck in GPa Starrkörpermodell Elemente 1,2h CPU Time Hybridvernetzung Elemente 1,4h CPU Time Feine Vernetzung Elemente 2,9h CPU Time Fazit Hybridvernetzung liefert gute Ergebnisse, daher Einführung in die CAE-Kette TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 17 von 25

18 Einführung der Hybridvernetzung in die CAE-Kette Institut für Werkzeugmaschinen Design des Ziehteiles Konstruktion des WZ WZ-Bau CAD 1 Simulation CAD 2 NC Vorform Handarbeit Endform CAD 1 Reverse Engineering CAD 3 Hybridvernetzung TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 18 von 25

19 Neue Möglichkeiten im Reverse Engineering Institut für Werkzeugmaschinen CAD CAE Ausgangszustand Morphing + modifiziertes FE-Netz RE Zielfläche Projektor Messraster Ausgangszustand Kamera Messpunkte Ausgangszustand Koordinatentransformation Messobjekt modifiziertes FE-Netz TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 19 von 25

20 Gestaltoptimierung der WZ-Wirkflächen mit Reverse Engineering Ziel Reduzierung der Abweichungen zwischen Sollgeometrie und rückgefederter Geometrie durch Anpassung der WZ-Wirkflächen Rückfederung des Blechteiles WZ-Deformation WZ-Verlagerung Endform Berechnung Maßabweichung Iteration Sollgeometrie erreicht? Ja Flächenrückführung Kompensierte Wirkflächen Modellupdate Kompensation Nein Hybridvernetzung TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 20 von 25

21 Kompensationsalgorithmus bei Hybridvernetzung Institut für Werkzeugmaschinen Anpassung der Wirkflächen durch gezielte Knotenverschiebung TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 21 von 25

22 Anwendung der Hybridvernetzung bei Serienwerkzeug Matrize Blechteil SMG Presse Typ HZPU /1800 Bj Niederhalter 0,8 m 1,2 m Stempel Hybridvernetzung am Stempel TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 22 von 25

23 Red. vollst. Prozessmodell mit Maschineneinfluss Institut für Werkzeugmaschinen SMG Presse Typ HZPU /1800, Bj Kippsteifigkeiten aus zulässiger Stößelkippung: 400kNm c ka 2350MNm 0,17mm / m 800kNm c kb 2000MNm 0,4mm / m Verlagerung aus Standardwerten nach VDI 3145 für Pressennennkraft F nenn 10000kN Antriebsfeder c z 1200ΜΝ/m. 2 c z ΜΝ/m c z ΜΝ/m Starrkörperverbindung Pressenstößel als Starrkörper c x 854ΜΝ/m c y 407ΜΝ/m c gesz 3000MN / m 2Mio Elemente 19,3h CPU Time c z 257kN / m TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 23 von 25

24 Simulationsergebnisse CAD Starrkörpermodell CAD Volumenmodell mit Maschineneinfluss Messdatenbasiertes Volumenmodell mit Maschineneinfluss Reduktion der Blechdicke in % Kontaktnormaldruck am NH in GPa Abweichung zw. Simulation und Messung in mm TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 24 von 25

25 Zusammenfassung Anwendung und Besonderheiten der Hybridvernetzung mit LS-Dyna wurden gezeigt Hybridvernetzung besitzt großes Potential bei der Umformsimulation von großen Werkzeugstrukturen eine realistische Pressungsverteilung kann mit elast. vernetzten Werkzeugen hinreichend genau abgebildet werden Hybridvernetzung erweist sich im Reverse Engineering als sehr hilfreich In weiteren Arbeiten am Institut für Werkzeugmaschinen ist die Methodik der Flächenrückführung in das FE-System zu verbessern Der Kompensationsalgorithmus für hybride Netze ist in einer Software zu verankern TU Dresden, Erfahrungen mit der Hybridvernetzung Folie 25 von 25

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