Ringvorlesung IUL, Uni Dortmund, 2/2009, Haufe/Lorenz/Raquet/Schweizerhof

Transkript

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2 Ringvorlesung - Erfahrungsberichte aus der Industrie Aktuelle Anforderungen an die Blechumformsimulation: Berechnungsmöglichkeiten mit LS-DYNA Dr. André Haufe David Lorenz Jeanette Raquet Karl Schweizerhof DYNAmore GmbH 2

3 Einführung DYNAmore GmbH Gesellschaft für FEM-Ingenieurdienstleistungen Stuttgart - Karlsruhe - Langlingen - Ingolstadt - Dresden Zentrale: Industriestraße 2 D Stuttgart Tel Fax info@dynamore.de Internet: 3

4 Cooperation between Dr. Hallquist and Prof. Schweizerhof since 1986 Founded in 1987 by Dr. John Hallquist Located in Livermore, California More than 600 customers Worldwide distribution Annual growth rate: about 30% Distributor of LS-DYNA and related software products Further development and customization in collaboration with LSTC Support, Seminars and Projects 4

5 Overview: DYNAmore portfolio LSTC product suite LS-DYNA models DYNAmore-Toolbox for LS-DYNA all CAE services benchmarking pilot projects on site engineering support training & seminars coaching on site workshops software development system and process integration e-services information events 5

6 DYNAmore at a glance People at Dynamore (current headcount 45) management: Dipl.-Math. U. Franz (Managing Director) Prof. Karl Schweizerhof (Technical Director) manager headquarters in Stuttgart: Dr. T. Münz support: Dr. K. Weimar, Kurt Schweizerhof, Oliver Graf,. sales: Prof. U. Göhner, K. Ryssel optimization: Dr. H. Müllerschön, M. Thiele dummy models: S. Stahlschmidt, A. Gromer metal forming: P. Vogel, Dr. A. Haufe process modeling: Dr. A. Haufe LS-DYNA coding: Dr. T. Erhard LS-OPT coding: M. Thiele consulting: Dr. T. Münz administration: M. Lang

7 DYNAmore at a glance Company history 1987 LSTC incorporated in 1987 to commercialize DYNA3D as LS-DYNA 1988 first LS-DYNA Crash simulations in Germany at Porsche performed by Prof. Dr. Schweizerhof and Dr. K. Weimar on CRAY supercomputer 1995 crash simulations must be performed for every new vehicle type 1996 first port of LS-DYNA on PC platforms 1996 LS-DYNA MPP version released 2001 Prof. Dr. Schweizerhof and co-workers found DYNAmore 2008 LS-DYNA Master distributor for central Europe: Germany+Austria+Switzerland direct, reseller network in Netherlands, Belgium, Italy, Spain, Turkey, Poland, Czech, Slovakia, Romania, Hungry, Portugal, Brazil 7

8 DYNAmore at a glance LS-DYNA customers of DYNAmore Airbus, Atair, Alcan, AMG, Autoliv, Arvin Meritor, Behr, Benteler, Bertrand, BMW, Brose, CADFORM, CDH, Cidaut, Concept, DaimlerChrysler, Decoma, Delphi, Dräxlmaier, EADS, Fiat Airbus, EDAG, Faurecia, FEMcon, Fraunhofer Inst. Freiburg+Stuttgart, HDW, Hilti, Idiada, Imperia, Inst f. Kurzzeitdynamik, IRB, ISE Innomotive, Johnson Controls, IVM, KOLT, KWM, Lear, LASSO, Leon, MATFEM, MTU, Nordeseewerke, OK Engineering, Opel/EDS, P+Z, PART, Porsche, Prototechnik, Rheinmetall, Rücker, Siemens, Takata/Petri, Tecosim, ThyssenKrupp Stahl, TI Automotive, Tofas, Tractebel, TRW, Voesr Alpin, Volkswagen, Yazaki, 8

9 DYNAmore at a glance Research LS-DYNA customers DLR-Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung Fachhochschule Aachen Angewandte Mathematik FB Luft- und Raumfahrttechnik Fachhochschule Aalen CAD/CAM Zentrum Fachhochschule Amberg-Weiden FB Wirtschaftsingenieurwesen Fachhochschule Giessen-Friedberg FB Energie- u. Wärmetechnik Fachhochschule Ingolstadt FB Elektro- und Informationstechnik Fachhochschule Lausitz FB Bauingenieurwesen Fachhochschule Reutlingen Faserinstitut Bremen e.v. (FIBRE) Faserverbund Struktur- u. Verfahrensentwicklung Fachhochschule für Technik und Wirtschaft Esslingen Labor Karosserie - Entwicklung & Versuch FB Maschinenbau Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen mbh Aachen Forschungszentrum Jülich Zentralinstitut für angewandte Mathematik Fraunhofer Institut Ernst-Mach-Institut, Freiburg Institut für Werkstoffmechanik, Freiburg SCAI, St. Augustin Werkzeugmaschinen und Umformtechnik, Chemnitz Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg FB Fahrzeugtechnik und Flugzeugbau Montan Universität Leoben Institut für Werkstoffkunde RWTH Aachen Institut für Leichtbau Technische Fachhochschule Berlin FB Verfahrens- und Umwelttechnik Technische Universität Berlin FG Kraftfahrzeuge FG Schienenfahrzeuge Institut für Luft- und Raumfahrt Technische Universität Dresden Institut für Luft- und Raumfahrt Lehrstuhl für Statik Rechenzentrum Technische Universität Graz Institut für Mechanik und Getriebelehre Technische Universität Hamburg Harburg Schiffstechn. Konstruktion u. Berechnung Rechenzentrum FB Baustatik und Stahlbau Universität Karlsruhe Institut für Mechanik Universität der Bundeswehr Hamburg FB Maschinenbau Institut für Mechanik Institut für Werkstofftechnik Universität des Saarlandes Lehrstuhl für Technische Mechanik Universität Erlangen-Nürnberg Institut für Mechanik Universität Hannover Institut für Baumechanik und Numerische Mechanik Universität Kassel FB Maschinenbau Institut für thermische Energietechnik Institut für Mechanik Universität Stuttgart HLRS-Rechenzentrum Institut für Flugzeugbau Institut für Statik und Dynamik Institut für Mechanik Institut für Verbrennungsmotoren Materialprüfungsanstalt University of Lisboa Instito Superior T écnico University of Ljubljana Faculty of Maritime Studies and Transport University of Maribor Faculty of Mechanical Engineering Universität Leipzig Rechenzentrum Institut Statik und Dynamik der Tragstrukt. Research/Educational Licenses 9

10 DYNAmore at a glance Automotive LS-DYNA customers Autoliv, DaimlerChrysler Mercedes/DaimlerChrysler Detroit, Delphi, EDAG, Ford Australia, Ford Dearborn, Ford Australia, GM Holden, GM Detroit, GM Korea, Jaguar, Honda R&D, Kia, Landrover, Lotus, Mazda, NHTSA, Opel, Porsche, Proton, Saab, MagnaSteyr Fzt, TRW, Takata/Petri,Toyota, 10

11 e-services All software products Actual release notes Download area for software & documentation FEM models Training schedule Database for published papers on LS-DYNA Collection of simple examples Problem & solution collection build by LS-DYNA users Seminar notes More than 120 examples presented Download area any support information regarding LS-DYNA FAQ 11

12 Anwendungsbeispiele Drop test (FSI/ALE) Crash Occupant Simulation Earthquake Defense Stamping 12

13 Mensch-Modelle BioRID-Modell SID-Modelle Anwendungsbeispiele 13

14 Annual German LS-DYNA Forum Oktober 2010 in Bamberg Themen Crash Insassensicherheit Optimierung Airbag, Dummy Metallumformung Impact und Falltest Herstellungsprozesse Glasumformung Durchstoßprobleme Fluid-Struktur-Interaktion Automotive Schiffbau Luft- und Raumfahrt Offshore Transportation Biomechanik Bauwesen... Weitere Informationen unter 14

15 Ringvorlesung - Erfahrungsberichte aus der Industrie Aktuelle Anforderungen an die Blechumformsimulation: Berechnungsmöglichkeiten mit LS-DYNA Dr. André Haufe David Lorenz Jeanette Raquet Karl Schweizerhof DYNAmore GmbH 15

16 Einführung When you measure what you are speaking about and express it in numbers, you know something about it, but when you cannot express it in numbers your knowledge about it is of a meagre and unsatisfactory kind. Sir William Thompson (Lord Kelvin), Simulationsergebnisse sind die Messwerte eines Modells und daher ebenso kritisch zu hinterfragen wie entsprechende Messwerte eines Experiments: Messgenauigkeit? Störeinflüsse? Messort und -zeitpunkt? Prüfverfahren? Prüfinstitut? Prüfnorm? Messwerte haben je nach Messverfahren nur eine bedingte Genauigkeit! Unschärfe von Eingabeparametern spiegelt sich in Simulationsergebnissen wieder. Mit zunehmender Netzverfeinerung konvergiert die Umformsimulation in der Regel gegen ein Ergebnis abhängig von den Eingabewerten. Netzverfeinerung kann ungenaue Eingabeparameter, schlechte Modelltechnik und unzureichende Modellannahmen nicht ausgleichen 16

17 Classical Forming Simulation Real world problem Classical rigid setup Algorithmic tools and modeling techniques of classical structural mechanics: Model reduction Shell assumption Rigid tools Simple constitutive models BUT: UHSS! Large springback Compensation 17

18 Einführung Unsicherheiten der Simulation Parameterbestimmung Kalibrierung Materialmodelle Anisotropie Extrapolation Verfestigung Schädigung Versagen Modellierungstechnik Elementtyp Diskretisierung Netzfeinheit Versuchsauswahl (DoE) Direkte/indirekte Methoden Reverse engineering Optimierung Algorithmik Zeitintegration Projektionsverfahren Stabilität Adaptivität Parallelisierung Versuchsund Messtechnik Kraftmessdosen Dehnmessstreifen Opt. Dehnungsmessung Prägestempel Hydraulikdrücke 18

19 Blechumformung: Messung vs. Simulation Messung Stempelkraft über Ziehweg Punktuelle Messung Einzug Vermessung der Einlaufkontur Dickenmessung an Schnitten Optische Dehnungsmessung Simulation Summierte Kontaktkräfte am Stempel Auswertung der Knotenverschiebungen Erzeugen der Bauteilrandkurve Schnitterzeugung im Postprozessor Dehnungsauswertung im Postprozessor Aufwand / Komplexität 19

20 Engineering practise Übliche Vorgehensweise: Materialkennwerte werden aus Zugversuchen ermittelt (Fließkurve für 0 und r-werte) Die Coulomb sche Reibzahl (Reibungskoeffizient) wird als konstant angenommen Simulation mit Variation der Reibzahl um eine gemessene Stempelkraft zu treffen bzw. Identifikation der Reibzahl über Abgleich mit gemessener Kraft-Weg Kurve Einschränkungen / Vorraussetzungen Ist die Annahme einer konstanten Reibzahl gerechtfertigt? Ein punktueller Vergleich der Einlaufkontur kann zur Einschätzung helfen! Wenn die Einlaufkontur nicht ausreichend übereinstimmt: Hängt die Reibzahl vom Kontaktdruck ab? Druckverteilung im Flansch sollte dann deutlich inhomogen sein! Ist die Anisotropie im Simulationsmodell ausreichend genau beschrieben? Unterscheiden sich die Fließkurven in 0, 45 und 90 Richtung deutlich r-werte sind Abhängig von den plastischen Vergleichsdehnung Daten liegen lediglich aus Zugversuchen vor (biaxial-versuche?) 20

21 Gliederung Parameterbestimmung Kalibrierung Materialmodelle Fließort Anisotropie Extrapolation Verfestigung Schädigung Versagen Modellierungstechnik Elementtyp Diskretisierung Detaillierungsgrad Netzfeinheit Versuchsauswahl (DoE) Direkte/indirekte Methoden Reverse engineering Optimierung Algorithmik Zeitintegration Projektionsverfahren Stabilität Adaptivität Parallelisierung Versuchsund Messtechnik Kraftmessdosen Dehnmesstreifen Opt. Dehnungsmessung Prägestempel Hydraulikdrücke 21

22 Fokus Modelltechnik Material: 1.5mm AlMg0.8Si0.9 (Ecodal 608 Novelis) 22

23 Fokus Modelltechnik: Elastische Eigenschaften Full model Reduced model Reduced tool model Press model Tool model Elastically supported punch and binder Elastic tool Elastically supported tool Reduced elastic tool Discretisation methods: FEM, BEM, MKS Boundary conditions: Replacement springs (translational, rotational, non-linear, ) Model reduction of tools? Full 3D Deformable Rigid Bodies Condensed/Super-element Weak structure-structure coupling 23

24 Fokus Modelltechnik: Druckabhängige Reibzahl Vorraussetzung ist eine realistische Berechnung der Druckverteilung. Diese wird maßgeblich von elastischen Werkzeugdeformationen beeinflusst! Werkzeugelastizität sollte somit im Simulationsmodell berücksichtigt werden. Classical rigid set-up Elastic tools Quelle: Numisheet 2008 v p Reibzahldefinition per Kurve in FE-Programmen 24

25 Fokus Modelltechnik Starre Werkzeugmodellierung Symmetrisches 3D FE Werkzeugmodell eines Mercedes SL Dach-Innenteils. > 2 Mio. Elemente Detailmodell mit Elementen Blech: 1.5mm AlMg0.8Si0.9 (Ecodal 608 Novelis) 25

26 Fokus Modelltechnik 3D elastisch (grob) Ggf. freie Knoten Combined model Kontaktraum Wirkfläche 3D Werkzeug Schalen (fein) 26

27 Fokus Modelltechnik Vergleich von z-verschiebung des groben 3D Netzes mit den Kontaktschalen der Wirkfläche Grob modelliertes Werkzeug Kontaktschalen (Wirkfläche) [mm] [mm] 27

28 Fokus Modelltechnik starr elastisch Kontaktschale Kontaktschale elastisch 28

29 Fokus Modelltechnik Spannungsverteilung in den Werkzeugen 29

30 Fokus Modelltechnik Relativverschiebungen 30

31 Fokus Modelltechnik Niederhalterdeformationen 31

32 Fokus Modelltechnik Druckabhängige Reibungsmodelle sind insbesondere sinnvoll, wenn die Werkzeugelastizität berücksichtigt wird. Sofern zusätzlich geschwindigkeitsabhängige Reibzahlen verfügbar sind, können diese in LS-DYNA ebenfalls Berücksichtigung finden. 32

33 Fokus Platine: Materialmodelle & Diskretisierung LS-DYNA bietet die Möglichkeit, r-werte als Funktion der plastischen Vergleichsdehnung vorzugeben M M M M F a K K a K K c 2 K 2 0 Barlat Für die drei Orientierungen 0, 45 und 90 können die zugehörigen Fließkurven direkt eingegeben werden K x hy 2 K 2 x hy 2 2 p 2 2 xy y R0 R90 a 22 1 R 1 R c 2 a h R 1 R 1 R 0 90 R Parameterstudie am Beispiel eines Rundnapfes: Fließkurven r-werte 33

34 Fokus Platine: Materialmodelle & Diskretisierung Unterschiede in der Einzugskontur durch erweiterte Beschreibung der Anisotropie: y x y 3 konstante r-werte, 1 Fließkurve in 0 3 konstante r-werte, 3 Fließkurven 3 r-wert-kurven, 3 Fließkurven x 34

35 Fokus Platine: Materialmodelle & Diskretisierung A principle overview on the history in shell theories: 3parameter shell model: Kirchhoff-Love (no shear deformations) a3 const. 5parameter shell model: Reissner-Mindlin a3 const. 6parameter shell model : a3 arbitrary 7th parameter to prevent locking phenomena Loading in thickness direction (top or bottom) possible In plane stretches due to out of plane loading Update of through thickness strain NOT via Poisson s ratio 3D constitutive models necessary Perfect modeling technique in combination with elastic tools! F u u Available as element type 25 and 26 in LS-DYNA 971 F u u 35

36 Fokus Materialmodelle & Diskretisierung A principle overview on the history in shell theories: 3parameter shell model: Kirchhoff-Love (no shear deformations) a3 const. 5parameter shell model: Reissner-Mindlin a3 const. 6parameter shell model : a3 arbitrary Loading in thickness direction (top or bottom) possible In plane stretches due to out of plane loading Update of through thickness strain NOT via Poisson s ratio 3D constitutive models necessary Perfect modeling technique in combination with elastic tools! F u u Available as element type 25 and 26 in LS-DYNA 971 F u u 36

37 Fokus Messtechnik: Dehnungen in der Simulation Integrationspunkte dz dy dx ry rx Lobatto-Integration Oberflächendehnung Voll integriertes Schalenelement Gauss Quadratur oberflächennahe Dehnung (Oberflächendehnung durch Extrapolation) Bei dicken Blechen und starker Biegedeformation kann die Lage der IP das Auswertungsergebnis stark beeinflussen. 37

38 Fokus Messtechnik: Optische Dehnungsmessung Vorgehensweise analog zur FEM Die Netzverzerrung liefert den Deformationsgradienten. Hieraus werden die üblichen (ebenen) Dehnungswerte des Segments (Facette) berechnet D x F X F v R R U 1 2 E U 2 Ebenso wie in der FEM ist das Ergebnis abhängig von der Netzfeinheit bzw. Grid- oder Rastergröße Anzahl der Facetten/Segmente über Radius? Quelle: GOM Die Messung der Dehnung erfolgt auf der Oberfläche! Zum Vergleich mit der Simulation ist es daher notwendig, die Integrationspunkte auf die Oberfläche legen oder Auswertegrößen auf die Oberfläche zu extrapolieren! 38

39 Fokus Messtechnik: Optische Dehnungsmessung Bei der optischen Messung werden Raster mit konstanter Größe verwendet. Der Anwender muss Grid-/Rastergröße ausreichend klein wählen. In der Simulation ist hingegen adaptive Netzverfeinerung Stand der Technik An kritischen Bereichen wird automatisch eine hohe Netzfeinheit erzeugt. Somit erhält man eine höhere Messauflösung in Bereichen kleiner Radien bzw. hohen Dehnungsgradienten Die Simulation kann deutlich höhere Dehnungsmaxima anzeigen! Die Simulation verhält sich deswegen nicht konservativer! Messung mit feinerem Raster würde ebenfalls höhere Maximalwerte anzeigen 39

40 Fokus Messtechnik: Dehnungen in der Simulation B-Säule: Erste Hauptdehnung im Bauteilschnitt In kritischen Bereichen unterscheiden sich die Ergebnisse. Unterschiede durch unterschiedlichen Messort, nicht durch Ungenauigkeit. 40

41 Fokus Materialmodelle Zunehmende Sicherheitsanforderungen Leichtbau Neue Materialien Composites Hochfeste Stähle Leichtmetalle Polymere Neu Antriebstechnologien Kosteneffektivität Punktgenaue Auslegung 41

42 Fokus Materialmodelle Zunehmende Sicherheitsanforderungen Leichtbau Neue Materialien Composites Hochfeste Stähle Leichtmetalle Polymere Schädigung E Neu Antriebstechnologien max Kosteneffektivität Anisotropie c b a Punktgenaue Auslegung Versagen E fail true Plastizität E( ) e Debonding Risswachstum y 42

43 Fokus Materialmodelle: Versagen Bei Crashbelastung ist bei hochfesten Stählen Versagen durch Reißen zu erwarten. Insofern ist die Vorhersage der Rissneigung auch für die Crashberechnung von großer Relevanz. Eine mögliche Vorschädigung aus der Herstellung (Blechumformung) muss daher berücksichtigt werden. Komplexe Versagensmodi lassen sich nicht durch einfache Betrachtung der plastische Dehnungen oder der lokalen Ausdünnung erfassen. Komponententest einer B-Säule und möglicher Belastungspfad Mises Eine konsistente Schädigungsmodellierung für die Umform- und Crash-Berechnung ist daher notwendig. Crash Umformen Gurson-JC 43

44 Fokus Materialmodelle: Prozesskette Problem: In beiden Simulationswelten existieren unterschiedliche Modelle, Standards und Validierungsmethoden! Umformsimulation Crashsimulation Übliche Modelle: Barlat89/Barlat2000/Hill48 Anisotropie des Fließorts Kinematische/Isotrope Verfestigung Versagen über FLD (Post-Processing) II??? Übliche Modelle: v.mises/gurson/jc Dehnratenabhängigkeit Isotrope Verfestigung Schädigung Versagensmodelle (Schädigungsvariable) II III I I III 44

45 Fokus Materialmodelle: Versagen im Quellmodell Stand der Technik in der Blechumformung Komplexe anisotrope Plastizitätsmodelle Zumeist aufbauend auf dem Hill-Kriterium oder Verallgemeinerungen (z.b. Barlat et al.) etc. F _ M M M generalized Hill F I II G II III H III I 1 0 II Die Verfestigung ist zumeist isotrop. Kinematische Verfestigungsmodelle werden erst in jüngster Vergangenheit angewendet. Abhängig von der Formulierung kommen mehrere interne Variablen (Hauptdehnungen, Vergleichsdehnungen etc.) zum Einsatz, um das anisotrope Materialverhalten zu beschreiben Materialachsen müssen in der Umformsimulation korrekt berücksichtigt werden Die Beschreibung der Evolution nach der Gleichmaßdehnung erfolgt über Extrapolationsgesetze (Voce, Swift, Hocket-Sherby etc.) oder Tabellendefinitionen. Problem der Praxis: Wie wird nach der Gleichmaßdehnung tatsächlich weiter extrapoliert? Alle in der Praxis relevanten Modelle sind lokal! Versagensbeurteilung erfolgt im Post-Prozessing mittels FLDs III III II dev I I 45

46 Fokus Materialmodelle: Versagen im Zielmodell Stand der Technik in der Crash-Berechnung Derzeit werden in der Regel einfache Plastizitätsmodelle aufbauend auf dem von Mises-Fließort verwendet. II F pl 0 3 J ( ) 2 y Eine interne Variable beschreibt die Evolution; üblicherweise die plastischen von Mises-Vergleichsdehnungen. Für kinematische Verfestigung werden zudem die entsprechenden Komponenten des sog. back-stress-tensors gespeichert. I Spezielle Materialien werden mit komplexeren Modellen (z.b. Gurson/Johnson-Cook) abgebildet, die zudem Schädigung und Versagen beinhalten. Weitere interne Variablen (z.b. zusätzliche Schädigungsund Versagensgrößen) Die Deformationsgeschichte wird u.u. sogar noch detaillierter protokolliert: Rund 100 Geschichtsvariablen für das CRACH-Model! Die Evolution wird in der Regel über Tabellen definiert. Alle in der Praxis relevanten Modelle sind lokal! III III II dev I 46

47 Fokus Materialmodelle: Versagensbeschreibung Versagensdehnung als Funktion der Dreiachsigkeit und des Lode-Winkels Bereich üblicher Schalenstrukturen Parameterdefinition m I1 3 vm vm 27 J mit J3 s1 s2s vm [Source: Wierzbicki et al.] Xue Hutchinson Gurson std. f Xue Hutchinson Gurson std. [Experimental data by Wierzbicki et al.] [Neukamm, Feucht, Haufe, 2008] 47

48 Fortran-Programm Fokus Materialmodelle: GISSMO Konzept: Kopplung eines Schädigungsmodells an ein unmodifiziertes Materialmodell der Umformsimulation Ein reines Schädigungsmodell basierend auf dem Johnson-Cook-Ansatz Keine Rückkopplung an die Deformationen Gedacht, die Vorteile eines Gurson-Modells (Versagen, Schädigung) auch in Umformsimulationen zu nutzen, ohne sich dessen Nachteile einzuhandeln Umformsimulation Mapping Crashsimulation Barlat, pl,t, t 0 pl,0, 0 Mises, pl, pl GISSMO D D GISSMO [Neukamm, Feucht, Haufe, 2008] 48

49 εf εf Fokus Materialmodelle: GISSMO Das originale Johnson-Cook-Modell bestimmt die Versagensdehnung u. A. als eine Funktion der Dreiachsigkeit : f d1 d2 exp d3 (Temperatur und Dehnrate sind hier unberücksichtigt) Damit ist die Versagensdehnung bei Schubbelastung immer höher als bei einaxialem Zug. Dies ist für viele Materialien nicht gültig. 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 f 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 η In GISSMO kann nun die Versagensdehnung unabhängig von einer geschlossenen Funktion über eine Kurve definiert werden: Damit werden die obigen Nachteile vermieden und der Anwender gewinnt die maximal mögliche Freiheit, Parameter an entsprechende Versuche anzupassen. 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 f 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 η [Neukamm, Feucht, Haufe, 2008] 49

50 f/ff ; D Fokus Materialmodelle: GISSMO Die Schädigungsakkumulation beschreibt die Zunahme der Schädigung als Funktion der plastischen Dehnung. Diese ist bei Gurson nichtlinear (selbst bei linearem Dehnungspfad); bei Johnson-Cook jedoch linear. Eine Modifikation ist notwendig, die die Schädigungsakkumulation in GISSMO von der aktuellen Schädigung D und der Dreiachsigkeit η abhängig macht. D f D, DGL mit Exponentialansatz für die Schädigung: 1 Schädigungsakkumulation für f const. D n f D 1 1 n Der Exponent n erlaubt es nun, die Schädigungskurve entsprechend zu beeinflussen. [Xue et al.] p 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Johnson-Cook GISSMO n=2 Gurson 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 ε e p [Neukamm, Feucht, Haufe, 2008] 50

51 Fokus Materialmodelle: GISSMO vs. FLD Die übliche Vorgehensweise, um Versagen in der Umformsimulation festzustellen, basiert auf FLDs; d.h. Vergleich der Hauptdehnungen im Post-Prozessing. Verfahrensgrenzen: Keine Dehnpfadabhängigkeit Die Bestimmung ist schwierig und mit experimentellen Unsicherheiten behaftet Insbesondere für hochfeste Stähle ungenau ε 1 ε 2 GISSMO liefert als Nebenprodukt eine genauere Vorhersage des Versagens auch bereits für die Umformsimulation! [Neukamm, Feucht, Haufe, 2008] 51

52 Fokus Materialmodelle: GISSMO vs. FLD Unter Annahme eines ebenen Spannungszustandes und proportionaler Belastung, kann das dehnungsbasierte FLD-Kriterium mit dem spannungsbasierten Schädigungsmodell GISSMO verglichen werden. ε 1 1,2 1 0,8 0,6 FLD Failure curve Shear Simple tension Equibiaxial rension 1,4 1,2 1 0,8 0,6 Failure FLD 0,4 0,2 ε f 0,4 0,2 0-0,6-0,4-0,2 0 0,2 0,4 0,6 ε 2 FLD: dehnungsbasiert Verhältnis der aktuellen Hauptdehnungen f 0-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 η GISSMO: spannungsbasiert Verhältnis von Druck zu von Mises-Spannung [Neukamm, Feucht, Haufe, 2008] 52

53 eps1 Fokus Materialmodelle: GISSMO vs. FLD Entsprechend kann man eine solchermaßen gewandelte FLC als Input-Kurve für GISSMO heranziehen und dadurch sehr einfach eine dehnungspfadabhängige Versagensvorhersage erhalten vorausgesetzt, die ursprüngliche FLC wäre durch dehnungsproportionale Versuche kalibriert worden. Letzteres stellt sich als äußerst schwierig heraus. 1 ε 1 ε f 1 0,8 0,6? 0,8 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 0-0,4-0,2 0 0,2 0,4 ε 2 eps2 FLD 0 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 Triaxiality η Inkrementelle, auf dem Spannungszustand basierende Schädigungsakkumulation ermöglicht die Berücksichtigung von beliebigen Spannungs- und Dehnungspfaden! [Neukamm, Feucht, Haufe, 2008] 53

54 eps1 Fokus Materialmodelle: GISSMO vs. FLD Entsprechend kann man eine solchermaßen gewandelte FLC als Input-Kurve für GISSMO heranziehen und dadurch sehr einfach eine dehnungspfadabhängige Versagensvorhersage erhalten vorausgesetzt, die ursprüngliche FLC wäre durch dehnungsproportionale Versuche kalibriert worden. Letzteres stellt sich als äußerst schwierig heraus. 1 0,8 0,6 ε 1 ε f? ε f 1 0,8 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 0-0,4-0,2 0 0,2 0,4 ε 2 eps2 FLD 0 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 Triaxiality η Inkrementelle, auf dem Spannungszustand basierende Schädigungsakkumulation ermöglicht die Berücksichtigung von beliebigen Spannungs- und Dehnungspfaden! η [Neukamm, [Ebelsheiser Feucht, Haufe, et al., 2008] 54

55 Fokus Materialmodelle: Beispiel GISSMO Cross die: Standardversuch der Umformtechnik Verschiedenste Spannungszustände Hier: Versagen in einem Gebiet mit dominant biaxialer Zugbelastung. Einfaches Versagenskriterium (von Mises) Lineare Schädigungsakkumulation Falsche Versagensvorhersage (an einer Stelle mit Schubbelastung) [Ebelsheiser et al., 2008] 55

56 Fokus Materialmodelle: Beispiel GISSMO Cross die: Standardversuch der Umformtechnik Verschiedenste Spannungszustände Hier: Versagen in einem Gebiet mit dominant biaxialer Zugbelastung. Komplexes Kriterium (GISSMO linear, n=1) Korrekte Versagensvorhersage Lineare Schädigungsakkumulation (Bereich der Schädigung nicht i.o.) [Ebelsheiser et al., 2008] 56

57 Fokus Materialmodelle: Beispiel GISSMO Cross die: Standardversuch der Umformtechnik Verschiedenste Spannungszustände Hier: Versagen in einem Gebiet mit dominant biaxialer Zugbelastung. Komplexes Kriterium (GISSMO linear, n=2) Korrekte Versagensvorhersage Exponentielle Schädigungsakkumulation (Bereich der Schädigung i.o.) [Ebelsheiser et al., 2008] 57

58 Zusammenfassung Robuste und zuverlässige Blechumformsimulationen sind durchaus Stand der Technik. Es darf jedoch der notwendige Aufwand, belastbare Material- und Prozessparameter zu ermitteln und ausreichend detaillierte Modelle aufzubauen, nicht unterschätzt werden. Die hierzu notwendigen Expertenkenntnis (Computerorientierte Mechanik) kann durch keine noch so ausgeklügelte Bedienoberfläche ersetzt werden. Der Abgleich immer komplexer werdender Materialmodelle mit den Berechnungsmodellen erfordert erfahrene Experimentatoren genauso wie erfahrene Simulanten: It is a simple task to define a complex experiment but a complex task to define a simple experiment. (Michael P. Collins) Messergebnisse von Experimenten sind ebenso kritisch zu hinterfragen wie solche aus Berechnungen! Es scheint angebracht (überfällig), Modellierungsstandards für wohl definierte Aufgabenstellungen (Tiefziehprozess, Rücksprung, Mapping etc.) einzufordern, da die Einflüsse unterschiedlicher Modellierungstechniken nicht zu vernachlässigen sind. Die identische Forderung gilt für Experimente zur Validierung und Parameterbestimmung. 58

59 FIN Dynamore GmbH Industriestraße Stuttgart Dr. André Haufe andre.haufe@dynamore.de 59