Erfahrungen beim Abgleich von Werkstoffmodellen

für die Umformsimulation mit Stahlwerkstoffen T. Beier, Dr. L. Kessler, Dr. J. Gerlach – Filderstadt, 13.10.2011

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Der Materialabgleich für die Umformsimulation Gliederung


Einleitung




Materialmodelle und Daten




Ganzheitliche Betrachtung




Schlussfolgerungen

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Vom Material zum Modell und Bauteil Die Anwendung von Material Modellierungen im Zusammenhang

aktuelle Vorgehensweise Quelle BMW

Zunehmender Einfluss von Reibung, Randbedingungen und Numerik

alternative Vorgehensweise

 Die Vorteile eines optimalen Materialmodells müssen im Zusammenhang mit der

Anwendung evaluiert werden. Viele weitere Parameter beeinflussen zusätzlich das

endgültige Ergebnis. LS-Dyna Forum 2011, Filderstadt 13.10.2011 Thorsten Beier, Dr. Lutz Keßler, Dr. Jörg Gerlach 3

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Vom Material zum Modell und Bauteil Aspekte bei der Bestimmung von Materialkarten Eigentlich eine einfache Aufgabe:

? Material

?

Testen: • Zugv. • Schubv. • hydr. Tief. •… Labor

?

Modellierung: • Fließkurve • Fließort • Versagen •… Institut

?

Operation: • Teil 01 • Teil 02 • Teil 03 •… Werkzeugbau

Werkstofftests werden für spezielle Anforderungen entwickelt,

können diese auch auf alle Werkstoffe übertragen werden?

? LS-Dyna Forum 2011, Filderstadt 13.10.2011 Thorsten Beier, Dr. Lutz Keßler, Dr. Jörg Gerlach 4

Ist ein Testergebnis austauschbar?

?

Ist das identifizierte Materialmodell eindeutig?

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Steigende Komplexität zur Werkstoffbeschreibung

Eine Auswahl zur Verfügung stehender Modelle Verfestigung

Versagen

Fließkurve

Fließort

Isotrop

FLC

Swift

v. Mises

v. Mises

Non-linear FLC

Hocket-Sherby

Tresca

Isotrop-kinematisch

FLSC

Gosh

HillHill-Familie

Prager

Duktil. Scherbruch

Mischfunktion

Hill ´48

Chaboche

Trennbruch

Hill ´90

Backhaus

Poren (Gurson)

BarlatBarlat-Familie

Yoshida

CrachFEM

Barlat ´89

Distorsion ICT-Theorie

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Ebene 01 = Standard Ebene 02 = Fortgeschritten Ebene 03 = Komplex

Barlat ´91 Barlat 2000 Banabic 2005

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Materialmodelle in Umformsimulationsprogrammen Eingangsgrößen für den Modellabgleich Model

σ0

r0

r45 r90

Hill ´48

X

-

Hill ´90

X

Barlat ´89

σb

rb

-

X

X

X

-

-

4

0

-

-

X

X

X

X

-

5

0

X

-

-

X

X

X

X

-

5

0

Banabic 2005

X

X

X

X

X

X

X

X

8

1

Barlat 2000

X

X

X

X

X

X

X

X

8

1

σ45 σ90

Parameter frei

Umformstufen  Für den gesamten Prozess ist eine realistische Lösung zu identifizieren! LS-Dyna Forum 2011, Filderstadt 13.10.2011 Thorsten Beier, Dr. Lutz Keßler, Dr. Jörg Gerlach 6

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Werkstoffmodellierung für die Umformsimulation Materialeingangsgrößen für die Materialkarten σ0

σ45

σ90

r0

r45

r90

477

472

470

0.77

0.90

1.01

Hill ´48

X

-

-

X

X

Barlat 2000

X

X

X

X

X

Experiment

rb

X

-

-

X

X

X

500

~10%

r

r -- Wert

RA-K 40/70 + Z Barlat 2000 1.2 Hill ´48 1,0

600 σ (α) / MPa

σb

0,8 0,6

400

0

30 60 Winkel zur Walzrichtung

90

0,4

0

30 60 Winkel zur Walzrichtung

90

 Zusätzliche Parameter erlauben die gute Abbildung experimenteller Daten LS-Dyna Forum 2011, Filderstadt 13.10.2011 Thorsten Beier, Dr. Lutz Keßler, Dr. Jörg Gerlach 7

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Materialdaten für die Umformsimulation Experimentelle Eingangsdaten für den Modellabgleich Standard

existiert

Dehnungsbereich

ja

0%  25%

nein*

10%  70%

Stapelstauchversuch

nein

5%  40%

Kreuzzugversuch

nein

0%  10%

Shear test (Miyauchi)

nein

5%  30%

In-plane Torsionstest

nein

5%  35%

4

Kompression (in-plane)

nein

0%  10%

5

Begrenzt verfügbar

nein

0%  1-5%

Experimente für den

Fließortabgleich 1 Zugversuch (0o, 45o, 90o …) 2 Hydr. Tiefungsversuch

3

1

2

3

P

4

1 3 5

4

* in Vorbereitung

Unsere Betrachtungen basieren auf dem Zugversuch und der hydr. Tiefung LS-Dyna Forum 2011, Filderstadt 13.10.2011 Thorsten Beier, Dr. Lutz Keßler, Dr. Jörg Gerlach 8

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Strategien für die Materialkartenaufbereitung

Standardprozess für die Materialkartenaufbereitung Experimente: • Zugversuch • Bulgevers. Test

• Schubvers. Ergebnis •… Material

Labor

Modellierung: • Verfestigung • Fließort Material• Versagen karte •… Institut

Anwendung: • Teil 01 • Teil 02 • Teil 03 •… Werkzeugbau

Quelle BMW

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Die Bestimmung von Materialkarten Klassische Vorgehensweise mit Zusatzversuchen

σ1

Normierte Hauptspannung σ2

1,5

σB

-

1,0

Zugversuch

r0, r45, r90

ε1

0,5

σBiax Bulge test ε1 + ε2

P

σB

0.0 0,0

σ B Exp. / σ B Hill ´48 ≤ 1 Hill ´90-Bereich εv = 0,04-0,2 Hill ´48

0,5

1,0

Normierte Hauptspannung σ1

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1,5

Die Bestimmung von robusten Materialkarten Auswertung von Werkstoffgruppen zur Modellierungsabsicherung

σ1 Zugversuch ε1 σBiax Bulge test ε1 + ε2

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P

Biaxialer Spannungsfaktor

σ B Exp. / σ B Hill ´48

0,95

σB, für Hill ´48 = 1.0

0,93 0,91 0,89 0,87 0,85 0,83 0,82

Geprüfte Coils

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Der Materialabgleich für die Umformsimulation Gliederung


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Materialmodelle und Daten




Ganzheitliche Betrachtung




Schlussfolgerungen

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Anwendung neuer Fließortmodelle für die Umformsimulation

Einfluss der Fließortbeschreibung auf die Verarbeitungsprognose

Spannung σ22 / MPa

200

ϕ1

150

Kein Unterschied Einschnürbeginn

Unterschied