Materialmodelle einmal anders?

Transkript

1 Materialmodelle einmal anders? User Defined Materials als freiparametrierbare Kraftmodelle Lars Penter (IWM) Harald Lohse (IFD) 1

2 Inhalt Motivation *MAT_USER_DEFINED_MATERIAL_MODELS in LS-DYNA - Werkzeugführung - Integration der Hydraulik, Regelung und Steuerung der Zieheinrichtung in FE-Prozessmodell Ausblick 2

3 Motivation Berücksichtigung nichtlinearer statischer & dynamischer Struktur-Prozess-Wechselwirkungen in der FE-Prozesssimulation Hydrodynamische Stößelführung Arbeitszylinder Verdrängerzylinder Werkzeugführung Eilgangzylinder Hydraulische Presse mit Ziehapparat Hydraulikplan Wanzke HPV 160 mit Ziehapparat Quelle: Dissertation, Li, 2008, TU Dresden 3

4 *MAT_USER_DEFINED_MATERIAL_MODELS Struktur und Implementierung 4

5 Integration der Werkzeugführung in FE-Prozessmodell 5

6 Integration der Werkzeugführung in FE-Prozessmodell Die derzeitige Maschinenvermessung nach DIN erfolgt ohne eingebautes Werkzeug ANNAHME: Werkzeugführung (WZF) beeinflusst Stößel- & Ziehkissenkippung nicht ABER: insbesondere Wälzführungen zeigen durchaus einen Einfluss auf das Kippverhalten DESHALB: Erweiterung der elasto-statischen Prozessmodelle um die WZF 6

7 Integration der Werkzeugführung in FE-Prozessmodell Materialkarte in LS-PREPOST 7

8 Integration der Werkzeugführung in FE-Prozessmodell 8

9 Integration der Werkzeugführung in FE-Prozessmodell Experimentierwerkzeug: Spüle Wälzführung spielfrei Gleitführung spielbehaftet Bauteil nach Tiefziehen 9

10 Integration der Werkzeugführung in FE-Prozessmodell ideal starre Maschine Ziehring elastische Stößellagerung keine Werkzeugführung Antriebsfeder elastische Stößellagerung Werkzeugführung Blech Niederhalter Stempel Blechdickenreduzierung [%] Stößel Stößelführung Werkzeugführung max.: 20,5% max.: 24,6% max.: 24,0% 10

11 Integration von Hydraulik, Regelung und Steuerung der ZE in FE-Prozessmodell 11

12 Integration von Hydraulik, Regelung und Steuerung der ZE in FE-Prozessmodell 1 Flügelzellenpumpe 2 Volumen 3 Druckbegrenzungsventil (DBV) 4 4/3-Wegeventil 5 Volumen 6 Rückschlagventil 7 Volumen 8 Volumen 9 Rohrleitung 10 Volumen 11 Differentialzylinder 12 Rückschlagventil 13 Volumen 14 Rohrleitung 15 Volumen 16 Prop.-DBV 17 2-Wege- Einbauventil 18 Volumen 19 Regelventil 20 Volumen 21 Schlauch z Z F Z p A Q p Q A Q P 3 2 Q 1 10 p B =konst. 20 bar 7 Q 9 Q p 8 Q B U y Q 12 p Q Q p 15 p Q Q p M p G Q 19 U U y p G U U Q L =0 (leckagefrei) z Z F Z Teilmodell Hydraulik p A Q p B =20 bar y G U U 12

13 Integration von Hydraulik, Regelung und Steuerung der ZE in FE-Prozessmodell Weg z [mm] Sollwert U [V] Kraft F [kn] Zeit t ,5 2 2,5 3 3,5 s 4 Zeit t FZsoll Umformphase 0,3 0,3 s s 0 1 1,5 2 2,5 3 3,5 s 4 Zeit t Messung Komplettmodell zeitdiskr. Modell Δt=0,1 ms z Z F Z p B p A Q Behandlung von Ableitungen, Integralen, Differentialgleichungen: y x y y xdt G U U xi xi Δt 1 yi yi yi 1 xi 1 Δt (Vorwärts-Rechteckregel) y f t,y y i 1 y i Δt f t i, y i (explizites Euler-Verfahren, Abtastrate hier Δt=0,1 ms) Modellgüte für Umformphase ausreichend 13

14 Integration von Hydraulik, Regelung und Steuerung der ZE in FE-Prozessmodell 14

15 Integration von Hydraulik, Regelung und Steuerung der ZE in FE-Prozessmodell Materialkarte in LS-PREPOST 15

16 Integration von Hydraulik, Regelung und Steuerung der ZE in FE-Prozessmodell Blech AC120 elastisch-plastisch Ziehring starr Freiheitsgrad in z-richtung Niederhalter starr Freiheitsgrad in z-richtung diskretes Balkenelement mit HSR-Materialmodell Koppelknoten zum Pressengestell alle Freiheitsgrade gebunden Stempel starr, fix konzentrierte Masse des Ziehkissens 350 kg / 4 = 87,5 kg starr verbunden mit Niederhalter Koppelknoten zum Niederhalter starr verbunden mit Niederhalter Koppelknoten zum Niederhalter starr verbunden mit Niederhalter Dämpferelement Werkzeugführung Koppelknoten zum Pressentisch alle Freiheitsgrad gebunden 16

17 Integration von Hydraulik, Regelung und Steuerung der ZE in FE-Prozessmodell Blechausdünnung [%] Niederhalterkraft [kn] Niederhalterkraft gemessen Niederhalterkraft simuliert Niederhalterposition Niederhalterposition [mm] Zeit [t] Reglerverstärkung I-Regler Ausschaltschwelle I-Regler Niederhaltersollkraft KI-Wert = V/Ns ΔF max = 20 kn F NhSoll = 100 kn 17

18 Integration von Hydraulik, Regelung und Steuerung der ZE in FE-Prozessmodell Blechausdünnung [%] Niederhalterkraft [kn] Niederhalterkraft gemessen Niederhalterkraft simuliert Niederhalterposition Niederhalterposition [mm] Zeit [t] Reglerverstärkung I-Regler Ausschaltschwelle I-Regler Niederhaltersollkraft KI-Wert = V/Ns ΔF max = 200 kn F NhSoll = 100 kn 18

19 Ausblick Evaluierung der WZF-Modelle anhand von Experimenten (derzeit) Erweiterung der WZF Modelle auf Niederhalter & Zieheinrichtung Integration der Stößelhydraulik in dynamische FE-Prozesssimulation Abbildung der Stößelführung in dynamischer FE-Prozesssimulation 19

20 Ausblick Abbildung der Stößelführung in dynamischer FE-Prozesssimulation Prinzip Hydrodynamische Führung am Stößel Stribeck-Kurve Modellierung der Stößelführung in Anlehnung an: Weck, Brecher: Werkzeugmaschinen,

21 Ausblick Abbildung der Stößelführung in dynamischer FE-Prozesssimulation FE-Prozesssimulation Scherschneiden Derzeit: Rotationssymmetrisches 2D FE-Modell Geschwindigkeitsvorgabe Schneidstempel Niederhalter F Nh Ziel: 3D Prozessmodell des Scherschneidens Y X Blech Schneidmatrize Umformgrad Aufsetzen Schneidstempel Elastische Deformation Blech Elastische Auffederung der Presse Plastische Deformation des Blechs Fließvermögen erschöpft plötzliches Abreißen Entlastung der Presse Schnittschlag 21

22 Vielen Dank für Ihr Interesse! 22