Umformsimulation Einflüsse des Umformvorgangs auf die Bauteileigenschaften im Griff

Autor / Redakteur: Tobias Menke und Sebastian Pinner / Dietmar Kuhn

Bei der Datenübergabe zwischen der Fertigungssimulation und der strukturmechanischen Bauteilauslegung klafft eine Lücke. Ein CAD-Anbieter hat jetzt einen Workflow entwickelt, mit dem die Verfestigungswerte und Dickenverteilungen aus der Umformhistorie direkt in die FEM-Berechnung einbezogen werden können.

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(Bild: Volkswagen)

Obwohl viele Simulationsanwendungen bereits einen hohen Reifegrad erreicht haben, kann ihr Potenzial noch deutlich gesteigert werden. Der Schlüssel dazu liegt in der Zusammenführung der verschiedenen Simulationstechniken zu einem Gesamtprozess. Insbesondere Daten aus der Fertigungssimulation, die einen großen Einfluss auf die Bauteileigenschaften haben und deshalb unbedingt in der Funktionssimulation berücksichtigt werden müssen, können meist nur mit hohem manuellen Aufwand zwischen den jeweiligen Anwendungen übertragen werden.

Prozesse Umformen-Fügen-Lackieren-Crash zu einer Prozesskette verknüpft

Der Bedarf an einer barrierefreien Datenübergabe zwischen verschiedenen Systemen stand im Mittelpunkt des Forschungsvorhabens Viprof. Im Rahmen von Viprof wurde eine Verknüpfung der Prozesse Umformen – Fügen – Lackieren – Crash zu einer durchgängigen Prozesskettensimulation realisiert, die sowohl in der Produktentwicklung als auch in der Fertigungsplanung genutzt werden kann. Bauteileigenschaften, wie die Kaltverfestigung und die lokale Wanddickenänderung, die das Produktverhalten beeinflussen, werden zwischen einzelnen Prozesssimulationen weitergegeben.

Bildergalerie

Als Referenzobjekt im Rahmen des Viprof-Projektes diente die B-Säule eines Fahrzeugs, eine beim Seitencrash relevante Baugruppe (Bild 2 – siehe Bildergalerie). Bei Viprof wurde unter anderem gezeigt, welchen Einfluss die Umformhistorie auf nachfolgende Simulationen ausübt. Dies ist nicht nur im Fahrzeugbau von Bedeutung, sondern überall, wo es um dünnwandige Blechstrukturen geht.

Umformvorgang mit FTI Forming Suite simuliert

Im Viprof-Projekt wurde der Umformvorgang mit dem Programm FTI Forming Suite simuliert. Mit FTI Forming Suite der Firma Forming Technologies, Inc. (FTI) ist Cadfem aufgrund einer langjährigen Partnerschaft sehr gut vertraut. FTI hat den großen Vorteil, dass das Programm einen inversen Solver für die Umformsimulation nutzt. Im Gegensatz zu inkrementellen Solvern, in denen der spätere Fertigungsprozess selbst eine wichtige Rolle spielt, erfordern inverse Verfahren nur die Materialkennwerte und die Bauteilgeometrie. Diese Daten sind früh verfügbar und können unmittelbar verwendet werden.

Die schnelle Verfügbarkeit der Daten ist natürlich nur dann ein Vorteil, wenn sichergestellt ist, dass sie auch zuverlässig sind. Die Überprüfung erfolgte bereits im Rahmen des Viprof-Projekts. Hier zeigte sich bei den wesentlichen Ergebnisgrößen Dickenverteilung und effektive plastische Dehnung eine sehr hohe Übereinstimmung der Ergebnisse, die mit dem inversen Solver der FTI Forming Suite, einem inkrementellen Server und parallel durchgeführten Messungen gewonnen wurden.

Basierend auf den positiven Ergebnissen hat Cadfem den inversen Solver FTI Forming Suite in die Simulationsumgebung Ansys Workbench integriert. Ziel war, nicht nur eine Übertragung der Daten aus der Umformsimulation in die Strukturmechanik zu realisieren, sondern die Integration der Umformsimulation in den gesamten Prozess zu ermöglichen. Neben der einfachen Anwendbarkeit der Lösung FTI Forming Module for Ansys sollten auch die im Entwicklungsprozess auftretenden Produktänderungen schnell und effizient berücksichtigt werden.

Umformsimulationen laufen innerhalb der Workbench ab

Die Projektseite (Bild 3) zeigt die Integration der FTI Formingsuite in ein Ansys-Projekt für eine strukturmechanische Berechnung. Basierend auf einer zu analysierenden Baugruppe können für die relevanten Bauteile die einzelnen Umformsimulationen innerhalb von Ansys Workbench durchgeführt werden. Der Anwender hat vollen Zugriff auf die FTI-Forming Suite-Oberfläche und deren Funktionalität.

Nach erfolgreicher Umformsimulation werden in der strukturmechanischen Analyse den einzelnen Bauteilen die Umformergebnisse zugewiesen und auf das Netz der Strukturmechanik übertragen. In der anschließenden Ansys-Berechnung werden dann die Verfestigung und die Dickenverteilung berücksichtigt. Diese haben zum Teil einen signifikanten Einfluss auf das Simulationsergebnis. Auftretende Produktänderungen können durch die vollständige Integration der FTI Forming-Suite in Ansys Workbench schnell und effizient betrachtet werden. Eine erneute Definition des Workflows ist nicht erforderlich, da FTI Forming Module for Ansys diese Änderungen erkennt und sämtliche Berechnungsergebnisse einschließlich Mapping aktualisiert.

Der Arbeitsablauf und seine Ergebnisse können anhand eines 3-Punkt-Biegeversuches einer B-Säule dargestellt werden (Bild 4). Die B-Säule wird in der Simulation sowie im Versuch am Fuß und am Kopf fest eingespannt. Belastet wird das System durch einen um die Y-Achse gelenkig gelagerten Stempel. Eine ebenfalls analysierte Variante mit beweglichen Auflagern ergab keine nennenswerten Unterschiede in den Ergebnissen. Aus diesem Grund wurde die numerisch einfacher zu betrachtende fixierte Lagerung bevorzugt.

Umformhistorie unterstützt Verbesserung der Simulation

Durch die Berücksichtigung der Umformhistorie (Blechausdünnung und plastische Vergleichsdehnung) konnte eine deutliche Verbesserung des simulierten Verlaufes der Kraft-Weg-Kurve erreicht werden. Die Berücksichtigung der Umformhistorie ergab eine Änderung der maximalen Kraft von 15,9 % und eine deutlich bessere Übereinstimmung mit den Versuchsergebnissen.

Viprof ist ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördertes Projekt (O2PC1097).

* Dipl.-Ing. Tobias Menke ist Produktmanager bei der Cadfem GmbH in 30177 Hannover, Dipl.-Ing. Sebastian Pinner ist Projektleiter bei der Volkswagen AG in 38448 Wolfsburg.

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