Simulation von pressgehärtetem Stahl mit *MAT_GURSON_JC

Transkript

1 Simulation von pressgehärtetem Stahl mit *MAT_GURSON_JC Reinhard Müller, Adam Opel GmbH Silvia Schmitt, TU Darmstadt

2 Mit steigender Fließgrenze bzw. Zugfestigkeit abnehmende Bruchdehnung Motivation

3 Temperatur Presshärtungs-Verfahren Durchlaufofen 5-10 min C Erwärmen M s Pressgehärteter Stahl martensitisches Gefüge M f Kühlen Martensit Austenit Presshärten Andere Gefüge Ferrit A 3 Perlit Bainit Verformung Danach Abkühlung mit über 100 C/s M s Gefüge wird erst nach der Verformung gebildet Bauteil ist nicht durch den Umformprozeß kaltverfestigt Zeit

4 PHS - Walzrichtungsabhängigkeit Proben aus labormäßig gehärtetem Tafelmaterial: Spannungs-Dehnungsverlauf nicht abhängig von Walzrichtung Bruchdehnung nicht abhängig von Walzrichtung, jedoch starke Streuung

5 Bruchdehnung Bruchdehnung abhängig von: - Probengeometrie - Spannungszustand Literaturwerte der Bruchdehnung sind kein sinnvolles Versagenskriterium für die FE-Berechnung!!!

6 Versagensmodell nach Johnson und Cook Bruchverhalten ist abhängig vom Spannungszustand Schädigungsmechanik: Annahme von Mikrodefekten im Material, hydrostatische Spannung beeinflusst die Schädigung ebenfalls Spannungstriaxialität: Hydrostatische Spannung: Vergleichsspannung nach Von Mises:

7 Implementierung in LS-DYNA Johnson-Cook: Plastische Vergleichsdehnung bei Versagen Triaxialität Dehnrate Temperatur Parameter zur Anpassung Exponentielle Funktion bildet nicht das reale Verhalten ab Möglichkeit der Vorgabe einer beliebigen Kurve Material-Input *MAT_120_JC: Skalierungsfaktor Versagenskurve macht unabhängig von Elementkantenlänge

8 Triaxialitätsbereiche verschiedener Probengeometrien glatte Probe Scherzugprobe Flachkerbprobe? FKP GP SZP η

9 Probengeometrie Zugproben und Kerbzugproben: - größte plastische Dehnungen in Probenmitte - Versagen aus dem Vollmaterial, nicht vom Rand her Plast. Vergleichsdehnung ε pl [ - ]

10 Neue Schubprobengeometrie - Grundgeometrie leicht modifizierbar für unterschiedliche Triaxialitätsverläufe - maximale plastische Dehnungen im Vollmaterial - einfach aus Blech zu schneiden (Drahterosion) - in normale Aufnahme der Zugprüfmaschine einzuspannen

11 Neue Schubprobe Maximale plastische Dehnung im Vollmaterial

12 plastische Dehnung ε pl [ - ] bzw. Versagensdehnung ε pl [ - ] f Triaxialitätsverläufe 1,2 1,1 FKP_R1 1,0 FKP_R8 0,9 0,8 0,7 FKP_R30 GP 0,6 0,5 0,4 DSP_31 DSP_17 0,3 DSP_0 0,2 0,1 0,0-0,65-0,55-0,45-0,35-0,25-0,15-0,05 Triaxialität [ - ] Werte des höchstbelasteten Integrationspunkts bei Bruchdehnung (Messlänge) der getesteten Proben SZP Versagen

13 plastische Dehnung ε pl [ - ] f Berechnung des Versagens Versuch: ε pl f ε pl f ε pl f 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0-0,65-0,55-0,45-0,35 η f Triaxialität η [ - ] FKP_R1 FKP_R8 FKP_R30 Versagen Für verschiedene Probengeometrien verschiedene Versagensdehnungen, jedoch bei gleicher Triaxialität Der Versagensdehnung ist demnach ein anderer Triaxialitätswert zuzuordnen, als der zum Zeitpunkt des Versagens ermittelte Dieser neue Triaxialitätswert ist abhängig von der Schädigungshistorie und somit vom Verlauf der Triaxialitätskurve

14 Erstellung der Versagenskurve ε pl Versagen? Mittlere Schädigung Versagenskurve Danach iterative Verbesserung. η f η mittel η Flächenschwerpunkt Als erste Abschätzung:

15 plastische Dehnung ε pl [ - ] bzw. Versagensdehnung ε pl [ - ] f Loadcurve Johnson-Cook 1,2 1,1 1,0 LCJC FKP_R1 FKP_R8 0,9 FKP_R30 0,8 GP 0,7 DSP_31 0,6 0,5 DSP_17 0,4 DSP_0 0,3 SZP 0,2 0,1 Sollwert Dehnung 0,0-0,65-0,55-0,45-0,35-0,25-0,15-0,05 Triaxialität η [ - ] Versagenskurve 4 Versagenspunkte Sim4 Toleranzband Test

16 Untersuchte Proben: ebener Spannungszustand Alle Integrationspunkte über die Dicke haben gleichen Dehnungsverlauf Weitere Validierungstests Biegung: Die Integrationspunkte über die Dicke haben unterschiedlichen Dehnungsverlauf Seitenansicht Dreipunkt-Biegeversuche notwendig - Ermittlung der benötigten Integrationspunkte über die Dicke Versagen unabhängig von Anzahl der Integrationspunkte über die Dicke - Ermittlung der Anzahl von Integrationspunkten, die zum Löschen des Elements das Versagenskriterium überschritten haben müssen.

17 Skalierung Ermittelte LCJC der Versagensdehnung gilt für Vernetzung mit 0,5 mm Elementkantenlänge 0,000 0,056 0,111 0,167 0,222 0,278 0,333 0,389 0,444 0,500 7,5 mm 0,5 mm Größere Elemente: bei gleicher Gesamtdehnung der Probe geringe Dehnung im größeren Element Skalierung der Versagens- Kurve nach unten LCDAM

18 Relative Versagensdehnung ε pl [ - ] f Skalierung Sollwerte (Versagensmesslänge erreicht) Simulation mit Skalierung 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 7,5 mm 5 mm 4 mm 3 mm 2 mm 1 mm 0,5 mm Elementkantenlänge [mm] Versagen bei gleicher Dehnung der Probe unabhängig von der Elementgröße

19 Skaliertes Versagen Elementgrößen-abhängiger Spannungs-Dehnungs-Verlauf (da nur JC ohne Gurson) Versagen bei gleicher Probendehnung

20 Skaliertes Versagen Plast. Vergleichs- Dehnung Messlängen- Dehnung 0,000 Δl =3,36 mm 0,056 0,111 0,167 0,222 0,278 0,333 Δl =3,68 mm 0,389 0,444 0,500 Versagensform Elementgrößen-abhängig Prädiktion der Rissentwicklung mit zu großen Elementen nicht möglich

21 Relative Versagensdehnung ε pl [ - ] f Plastische Versagensdehnung ε pl [ - ] f Skalierte LCJC 1,2 1 0,8 Sollwerte (Versagensmesslänge erreicht) Simulation mit Skalierung LCDAM 1,2 1 0,8 Elementkantenlänge 0,5mm 0,6 0,6 1,0mm 2,0mm 0,4 0,4 3,0mm 7,5mm 0,2 0, ,65-0,55-0,45-0,35-0,25-0,15-0,05 0 Elementkantenlänge [mm] Triaxialität [-] Übertragbarkeit der Skalierung an glatten Zugproben auf andere Spannungszustände (Triaxialitätsverläufe) zweifelhaft

22 FE- Modell Realer Vorgang wird durch eine große Anzahl einfacher Elemente abgebildet, das einzelne Element ist kleiner, als das abgebildete lokale Verhalten Realität Ersatzsystem Realer Vorgang wird durch eine geringe Anzahl hoch komplexer Elemente abgebildet, das einzelne Element ist viel größer, als das abgebildete lokale Verhalten Fahrzeug? Riß, Versagen *ELEMENT_SHELL *SECTION_SHELL, ELFORM=16, NIP=tbd *MAT_120_JC

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit