NTB Technologietag 17 «Industrial / Precision Engineering»

Transkript

1 NTB Technologietag 17 «Industrial / Precision Engineering» «Bessere Materialmodelle durch berührungslose Dehnungsmessung» K. Kern, M. Lüchinger

2 Übersicht Eigenspannungen Was ist das? Numerische Simulation der Umformung eines Rohres Experimentelle Dehnungsmessung an kleinen Proben aus der Rohrwand: Messung mittels digitaler Bildkorrelation Optimierung der Eigenspannungen 2

3 Eigenspannungen und deren Wirkung Was bewirken Eigenspannungen in der Praxis? - Form- und Massänderungen nach Bearbeitung oder Wärmebehandlung - Förderung von Spannungsrisskorrosion - Beeinflussung der Schwingfestigkeit 3

4 Entstehung von Eigenspannungen beim Rohrziehen Matrize Rohr Ursachen für Eigenspannungen: - Inhomogene Verformung (Scherung des Materials) - Temperaturgradienten - Zug-Druck-Lastumkehr 4

5 Materialdaten für die numerische Simulation Fliesskurve «wie verfestigt das Material» k f,z Fliessortkurve «wann und wie fliesst das Material» R p,d 400 R p,d k f α k f0 k f,z Initale Fliessortkurve Isotrope Verfestigung Kinematische Verfestigung

6 Ermittlung des Fliessbeginns nach Lastumkehr Vordehnen (1) k f,z +σ 1 Spannung [MPa] k f0 (2) R p,d Probenentnahme aus der Rohrwand -σ Dehnung [%] 2. Stauchen 6

7 Ermittlung des Fliessbeginns nach Lastumkehr Messung an «kleinen» Druckproben Herausforderungen: - sehr kleine Längenänderungen - Parallelitätsfehler der Stirnflächen - verfälschen den E-Modul - verschmieren die Fliessgrenze Anforderungen: - sehr exakte Probenfertigung - exakte Ausrichtung der Druckstempel Bestimmung der elastischen Gerade (E-Modul) mittels Hystereseschleife (Norm: DIN 50106: ) Messung der Längenänderung (Dehnung) direkt auf der Probe (Digitale Bildkorrelation, erreichbare lokale Auflösung: = = 0.01%) 7

8 Digitale Bildkorrelation (DIC) Vorgehen: 1. Speckle-Muster aufbringen Beleuchtung Druckstempel Kameras des digitalen Bildkorrelationssystems 2. Kalibrieren und Messen Stauchvorrichtung mit Führungsstäben zylindrische Druckprobe mit Specklemuster 8

9 Ergebnisse der Dehnungsmessung mit DIC Spannungs-Dehnungs-Verlauf aus Druckversuch inkl. Hystereseschleife Fliessgrenze [MPa] 9

10 Ergebnisse der Dehnungsmessung mit DIC Kinematische Verschiebung der Fliessortkurve um den Backstress α Backstress: σ Verschiebung der Fliessortkurve Messung Modell R p,d α σ k f0 k f,z Vordehnung [-]

11 Ergebnisse der Dehnungsmessung mit DIC Kinematische Verschiebung der Fliessortkurve um den Backstress α Backstress: σ 2 R p,d α σ 1 k f0 k f,z 11

12 Bessere Materialmodelle durch berührungslose Dehnungsmessung Vergleich: Simulierter und experimentell ermittelter Eigenspannungsverlauf in Rohren 12

13 Zusammenfassung Bessere Materialdaten für die zukünftige Modellierung des Umformverhaltens Besseres Verständnis des Rohrziehprozesses: Optimierung der auftretenden Eigenspannungen Weitere Einsatzmöglichkeiten der digitalen Bildkorrelation: (Ermittlung von Verschiebungen, elastischen Konstanten, Fliesskurven unter statischer Belastung, Beschreibung von Materialversagen) Vielen Dank an: M. Lüchinger (Institut für Computational Engineering) N. Herres (Institut für Produktionsmesstechnik, Werkstoffe und Optik) M. Baumgartner (Fa. Jansen) 13