Elastisch- plastische Werkzeugananlyse bei der Simulation von Kalt- und Warmumformprozessen 11. Round Table Bamberg 14.

Transkript

1 Elastisch- plastische Werkzeugananlyse bei der Simulation von Kalt- und Warmumformprozessen 11. Round Table Bamberg 14. Oktober 2009 Dr. Hendrik Schafstall simufact engineering GmbH

2 Einführung Die Auslegungen von Massivumformprozessen erfordert zunehmend auch die Betrachtung der Belastungen der Werkzeuge. Erste Informationen können bereits aus der Stoffflusssimulation gewonnen werden, der Anwender muss dann entscheiden ob eine erweiterte Betrachtung der Werkzeuge erforderlich ist. Ggf müssen die Werkzeuge geteilt und die Armierung optimiert werden. Das kritische Belastungskollektiv muss nicht zwangsweise am Ende der Umformung vorherrschen, so dass eine kontinuierliche Betrachtung des gesamten Prozesses erforderlich sein kann.

3 Vorgehensweise Die beschriebene Vorgehensweise und die Anwendung gilt gleichermassen für FV und FE basierte Umformsimulationen ab 9.0! Analyse der Prozessstufe mit starren Werkzeugen Formfüllungsverhalten, zu frühzeitiges Ausfüllen vom Werkzeug zuviel Materialverdrängung Verschleiss Innendruck Innendruckverteilung Gradienten sind gefährlich Zug- Druckübergänge

4 Auswertung Im Folgenden wird das Grundprinzip anhand eines einfachen Prozesses dagestellt und einige Tipps gegeben, die beachtet werden sollten Wenn Ergebnisse am Werkzeug (zunächst starres Werkzeug) ausgewertet werden sollen, müssen genügend Stützstellen zur Ergebnissausgabe vorhanden sein = geeignete Vernetzung

5 Vernetzung von Geometrien Eine Möglichkeit ist die eingelesenen Geometrien nachträglich zu vernetzen Bei ungünstigen STL-Facetten (wie hier) muss dazu die Coon-Projektion ausgeschaltet sein (ist default), da nicht genügend Stützwerte für eine Approximation zur Verfügung stehen.

6 Vernetzung von Geometrien Eine 2. Möglichkeit besteht darin, die Diskretisierung über den CADimport zu realisieren

7 Einfluss der Vernetzung Im Folgenden ist der Verschleiss bei der Grundvernetzung und Neuvernetzung gegenüber gestellt am Rigid-Body. Das Werkstück muss zudem auch fein genug abgebildet sein

8 Verschleiß Die Verschleißparameter werden im Reibmenü mit definiert, da dies den Zustand zwischen Werkstück und Werkzeug beschreibt Verschleißkoeffizient (auch als Funktion dertemperatur) Festigkeit des Werkzeugmaterials (auch als Funktion der Temperatur) Die Aktivierung erfolgt im Formingmenü

9 Ergebnissgrößen Ergebnissgrößen zur Ableitung der Werkzeugbelastung

10 Ergebnisse an WZ Einige Ergebnissgrößen werden auch an den Werkzeugen abgespeichert, die Auflösung hängt von der Diskretisierung und der Werkstückoberflächenfeinheit ab

11 Werkzeuganalyse Die Reihenfolge der Vorspannung und das Übermaß bestimmen die Gesamtvorspannung einer Armierung Es können jetzt bis zu 3 Vorspannungslastfälle berechnet werden, bevor die Lastkollektive aus der Umformanalyse aufgebracht werden Für jede dieser Lastfälle kann eine eigene Kontakttabelle definiert werden. Der Innendruck und die Reibspannung kann skaliert werden (höhere Festigkeit des Werkstücks, schlechtere Schmierung

12 Werkzeuganalyse Aufgrund der Belastung (und Erfahrung) muss entschieden werden, ob weitergehende Werkzeuguntersuchungebn erforderlich sind. Dazu wird der Prozess umkopiert und der Prozesstyp Werkzeuganalyse/Armierung gewählt. Hier können Armierungsberechnungen durchgeführt oder vorgeschaltet werden Werkzeuganalysen durchgeführt werden, gekoppelt oder entkoppelt Zunächst wird auf die Armierungsberechnung weiter eingegangen

13 Vorspannungsberechnung Zur Vorgabe der Vorspannung steht eine neue Funktion zur Verfügung: interference closure Im Solver wird automatisch der Kontaktbereich benachbarter Werkzeugflächen identifiziert und das vorgegebene Übermass berechnet. Das Übermass wird als Spaltmaß=negative Toleranz dargestellt Dadurch kann durch ein Eintrag in der Kontakttabelle die Vorspannung optimiert werden. Dies ist auch für komplizierte 3D Strukturen anwendbar. Dies gewährleistet einen optimalen Kontaktbereich interference closure

14 Interference closure Der Wert für das Übermass wird für jede Kontaktkörperpaarung in der Kontakttabelle gesetzt:

15 Interference closure Vorspannung in 3 Schritten

16 Interference closure Vorspannung in 3D

17 Interference closure Vorspannung in 3 Schritten (innen nach aussen) Vorspannung alle auf einmal

18 Vernetzung der Werkzeuge Bei der Vernetzung von deformierbaren Werkzeugen ist darauf zu achten, dass der Erstkontaktkörper immer ein feineres Netz hat fein grob

19 Werkzeugmaterial Bei der Werkzeuganalyse ist das Elastizitätsmodul der bestimmende Materialparameter. Die Fließgrenze wird aus numerischen Gründen auf einen sehr hohen Wert gesetzt. Diese Materialien sind in der Materialdatenbank unter ToolSteel abgespeichert. Bei eigenen definierten Materialdaten ist darauf zu achten, dass die Anfangsfließspannung sehr hoch gesetzt wird ( N/mm2) = elastisches Verhalten

20 Werkzeuganalyse Eine Werkzeuganalyse kann gekoppelt (inkl. der Umformung) oder entkoppelt durchgeführt werden. In 2D werden nur gekoppelte Berechnungen durchgeführt In 3D aufgrund der Rechenzeit überwiegend entkoppelte Berechnungen

21 Entkoppelte Berechnungen Bei entkoppelten Berechnungen werden die Kontaktbereiche zwischen Werkstück aus der Umformsimulation und Werkzeug aus der Werkzeuganalyse ermittelt und die Kontaktnormalspannungen und Reibspannungen als Last auf die Werkzeuge übertragen und die Analyse berechnet

22 Entkoppelte Berechnungen Im Formingmenü können die zu übertragenen Berechnungsschritte von der Umformsimulation einfach selektiert und nacheinander berechnet werden.

23 Entkoppelte Berechnungen Die Position der in z-richtung bewegten Werkzeuge wird automatisch angepasst.

24 Deformation der Werkzeuge Die Deformation der Werkzeuge kann für Bilder überzeichnet dargestellt werden

25 Gekoppelte Analyse Bei der gekoppelten Analysen ist darauf zu achten, dass immer der Erstkontaktkörper das feinere Netz haben muss, um Kontaktprobleme zu verhindern. Bei gekoppelten Analysen kann die neue Paralleloption (DDM) verwendet werden, wobei jeweils ein oder mehrere Kontaktkörper einer Domain zugeordnet werden kann. Jedes deformierbare Werkzeug und das Werkstück müssen einer Domain zugeordnet sein.

26 Gekoppelte Analyse DDM 51,2% CPU ohne DDM 100% CPU

27 Vergleich gekoppelt/entkoppelt Die Belastung der Werkzeuge bei einer entkoppelten Betrachtung ist etwas höher, da die Elastizität der Werkzeuge einen Teil der Belastung aufnimmt. Damit liegt man hier auf der sichereren Seite. Allerdings bestimmt die Elastizität mit den Materialfluss und damit die Belastung und ist somit genauer aber aufwendiger. Entkoppelt Gekoppelt

28 Beispiel entkoppelt warm

29 Beispiel entkoppelt warm

30 Spannungsverlauf an Partikle Punkten

31 Zusammenfassung Mit simufact. steht ein leistungsfähiges Simulationswerkzeug zur Verfügung mit dem effizient Werkzeuganalysen durchgeführt und der Werkzeugverband optimal konzipiert werden kann. Die entkoppelte Betrachtung ermöglicht es, unabhängig von der Umformsimulation die Werkzeugkonzepte zu optimieren (Teilen der WZ, Vorspannung) Für sensible Prozesse, wo die Wechselwirkungen aufgrund der Elastizität von Interesse sind, können auch voll gekoppelte Analysen durchgeführt werden. Die extrem hohen Rechenzeiten können durch die Verwendung der Paralleloption (DDM) deutlich reduziert werden. Die entkoppelte Werkzeugberechnung ist nun für FV und FE basierende Umformsimulationen in gleicher Art und Weise möglich

32 Thank you for your attention simufact engineering gmbh Tempowerkring Hamburg Tel.: Fax: office@femutec.de