Zum aktuellen Stand der Stanz- und Schneid-Simulation mit LS-DYNA
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- Catrin Engel
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1 Zum aktuellen Stand der Stanz- und Schneid-Simulation mit LS-DYNA Jeanette Raquet - Dr. André Haufe DYNAmore GmbH 1
2 Übersicht Schneiden und Stanzen: Anforderungen an FE-Codes Materielle (Lagrange sche) Beschreibung Raumfeste (Eulersche) Beschreibung Arbitrary Lagrange-Euler-Beschreibung SPH und EFG Beispiele zur Anwendung 2
3 1 Motivation Schneiden und Stanzen ist ein materialtrennender Prozess. Der Werkstoffzusammenhalt geht verloren! Der Mechanik wird jedoch in der Regel ein Kontinuum zugrunde gelegt! 3
4 1 Motivation Materielle Beschreibung (Lagrange) Beliebige Versagenskriterien steuern ein Löschen der Elemente. Rissabbildung ist grob. Masse geht u. U. verloren. Erhaltung & Konsistenz? Versagensrichtung stark durch die Elementierung (Ausrichtung) und Netzfeinheit dominiert. Gängige industriell angewendete Methode. State of the art?! 4
5 1 Motivation Alternative Beschreibung (ALE oder Euler) Kontaktbedingungen bzw. Spannungskriterien steuern den Materialabtrag. Große Deformationen sind möglich. Masse bleibt erhalten. Versagensrichtung weniger stark von Elementierung (Ausrichtung) und Netzfeinheit dominiert. Industriell auf vielen Gebieten angewendete Methode. 5
6 1 Motivation Netzfreie Methoden Element Free Galerkin oder Smooth Partikle Hydrodynamics Große Deformationen sind möglich. Masse bleibt erhalten. Adaptivität kann einfach lokal gesteuert werden. Industriell auf vielen Gebieten angewendete Methoden. 6
7 2 Gedankenexperiment: Lagrange, Euler und ALE Translozierter und deformierter Stab Lagrange Translation Deformation Euler Euler-Netz (raumfest) ALE Bewegtes ALE-Netz t=t 1 t=t 2 Advektion 7
8 2 ALE: Anwendungen Wo können diese Methoden zum Einsatz kommen? Falltestuntersuchungen 8
9 2 ALE: Anwendungen Wo können diese Methoden zum Einsatz kommen? Lagrange sche Modellierung Eulersche Modellierung Massivumformprozess 9
10 3 Modelltechnik: Spanabhebende Prozesse Anwendungen sind Fräsen, Drehen, Stoßen etc. Untersuchungen zur Verbesserung der Schneidengeometrie etc. Schneide Werkstoff 10
11 3 Modelltechnik: Trennende Prozesse Anwendungen sind Niete (self piercing rivets) Untersuchungen zur Nietgeometrie, Kraftverlauf, Deformation etc. Niet Fügeteile 11
12 3 Modelltechnik: Lagrange & SPH Anwendungen sind Fräsen, Drehen, Stoßen etc. Untersuchungen zur Verbesserung der Schneidengeometrie etc. 2D Modellierung Lagrange 3D Modellierung mit SPH 12
13 3 Modelltechnik: ALE Anwendungen sind Fräsen, Drehen, Stoßen etc. Untersuchungen zur Verbesserung der Schneidengeometrie etc. 2D Modellierung 3D Modellierung 13
14 4 Modelltechnik: Trennender Prozess (ALE) Anwendungen sind Schneiden, Stanzen, Impact etc. 14
15 5 Feinschneiden: Lagrange sche Modellierung Ein einfaches Feinschneidwerkzeug um eine gelochte Unterlegscheibe herzustellen. Modell ist rotationssymetrisch (2D) mit und ohne Ringzacke. Gegenstempel Schneidplatte Werkstück Ringzacke Axis of Symmetrie Stempel Führungsplatte 15
16 5 Feinschneiden: Schneidegeometrie Die Ergebnisse beim Feinschneiden sind von einer Reihe von Parametern abhängig. Unter anderem von Spalt der Schneidwerkzeuge, der Geometrie der Schneidkante und der Form der Ringzacke. Sowie natürlich der Niederhalter- und Stempelkraft. r d r p r r s d r = Radius an Schneidund Führungsplatte = Stempelradius = Zackenradius /-geometrie = Schneidspalt = Zackenabstand r r r p r d Werkstofftrennung durch plastisches s Fließen in der Trennzone d Bruchvorgänge sollen ausgeschlossen werden. r Hierfür ist die gezielte Beeinflussung des Spannungszustandes in der Trennzone durch Niederhalterkraft und insbesondere die Ausbildung einer geeigneten Ringzacke notwendig! 16
17 5 Feinschneiden: Randbedingungen F p F c = Stempelkraft = Gegenstempelkraft fixiert F c fixiert Einfluss der Zackenform Einfluss der Kantengeometrie Axis of Symmetrie F c F p F c [Institut für Produktionstechnik, TU Dresden] 17
18 5 Feinschneiden: Mögl. Versagensbeschreibung Versagensdehnung als Funktion der Dreiachsigkeit und des Lode-Winkels Bereich üblicher Schalenstrukturen Parameterdefinition σ m I1 η = = σ 3 σ ξ vm 27 J vm 3 = mit σ vm J = s s s [Source: Wierzbicki et al.] Xue Hutchinson Gurson std. ξ ε f Xue Hutchinson Gurson std. η η [Experimental data by Wierzbicki et al.] 18
19 5 Feinschneiden: Variante ohne Ringzacke 19
20 5 Feinschneiden: Variante ohne Ringzacke 20
21 5 Feinschneiden: Variante ohne Ringzacke 21
22 5 Feinschneiden: Variante ohne Ringzacke Plastische Vergleichsdehnungen t = 0 t = t = t = t = t =
23 5 Feinschneiden: Variante mit Ringzacke 23
24 5 Feinschneiden: Variante mit Ringzacke 24
25 5 Feinschneiden: Variante mit Ringzacke 25
26 5 Feinschneiden: Variante ohne Ringzacke Plastische Vergleichsdehnungen t = 0 t = t = t = t = t =
27 5 Feinschneiden: Variante ohne Ringzacke Vergleich der Schneidekontur grobe Vernetzung V1 V2 27
28 6 Netzfreie Verfahren: Element Free Galerkin Diskretisierung eines Kontinuums allein durch eine Reihe von Knotenpunkten (Interpolationsstützstellen, "Partikel") ohne die Beschränkungen, die durch ein Netz entstehen. alternativ: SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) Anwendungen / Vorteile: - Extrem große Deformationen - Beliebig komplexe Rißausbreitung - Mehr-Skalen-Phänomene 28
29 6 Element Free Galerkin Ansatz für Verschiebungen, z.b. Polynom m h T u ( x) = p ( x) a ( x) = p ( x) a( x) i= 1 i i Kernelfunktion w( x x, h) I Gesucht sind Koeffizienten von a: Gewichtete Fehlerquadratminimierung (Konstruktion von Formfunktionen mittels eines "Fitting"-Algorithmus) J J = w h u = 2 ( x x, ) T I p ( xi ) a( xi ) I 0 I a Rissausbreitung: "Sicht-Kriterium" und Kohäsivzonenmodell - Innere Diskontinuitäten bestimmen den Einflussbereich des betrachteten Knotens. + Ω 0 X ( η) Ω 0 Riß 29
30 6 Element Free Galerkin EFG Eigenschaften Geringere Diskretisierungsabhängigkeit Keine Hourglass-Stabilisierung notwendig Höhere Genauigkeit: Glatterer Verlauf von Spannungen und Dehnungen Adaptivität einfacher zu handhaben Höherer Aufwand (CPU-Zeit), mehr Speicherbedarf EFG in LS-DYNA Volumen- und Schalenelemente Adaptivität, Rißbildung und Rißfortschritt SMP und MPP Effizienzsteigerung in neuen Versionen (970: 7-20 mal langsamer als FE, 971: 3-5 mal langsamer als FE) 30
31 6 Element Free Galerkin EFG Methode: Aktuelle Anwendungen Schaumkompression: große Deformationen FE EFG Massivumformen: Adaptivität ohne Adaptivität mit Adaptivität 31
32 7 Ausblick: Extended Finite Element Method (X-FEM) Diskontinuierliche Methode zur Versagensanalyse: Die Ansatzfunktionen werden um eine Sprungfunktion erweitert, um Risse unabhängig von der räumlichen Diskretisierung und ohne jegliche Neuvernetzung darzustellen. Kohäsivzonenmodell für die Rißinitiierung und Rißausbreitung. Modell kann als Generalisierung des Konzepts der Verdopplung von Knoten verstanden werden. LS-DYNA: momentan für 2D - plane strain, in naher Zukunft (2010) für Schalen 32
33 7 Ausblick: Extended Finite Elements (X-FEM) Beispiel: "Kalthoff Plate Crack Propagation" 1. Hauptdehnung 33
34 Zusammenfassung Zur Simulation von Schneid- und Stanzprozessen sind geeignete Diskretisierungsverfahren und zugehörige Versagensmodelle von entscheidender Bedeutung. Klassische Lagrange (materielle) Beschreibung ist Stand der Technik, basiert aber auf Annahmen und Vereinfachungen, die erst mit entsprechend feiner Vernetzung zu sinnvollen Lösungen konvergieren. Neue Verfahren bzw. alternative Verfahren, wie ALE, SPH, EFG oder auch X-FEM versprechen einen Gewinn an Genauigkeit In LS-DYNA sind viele derzeit in der akademischen Welt diskutierten Verfahren verfügbar. 34
35 FIN 35
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