Authors: Noman, Muhammad
Title: Characterization and model identification for the simulation of the forming behavior of ferritic steels
Language (ISO): en
Abstract: Die experimentelle und theoretische Untersuchung der Umformung von Blechen ist nach wie vor eine Herausforderung sowohl in der theoretischen Beschreibung als auch auf experimenteller Seite. Eine wesentliche Aufgabe kommt dabei der Verwendung eines realistischen Materialmodells zu. Das Modell sollte in der Lage sein, die Entwicklung der Mikrostruktur sowie die verschiedenen Formen der Verfestigung, die bei den komplexen Lastpfaden in der Blechumformung auftreten, zu berücksichtigen. Die Charakterisierung / Identifikation des Materialmodells muss für das jeweilige Material, basierend auf den vorliegenden experimentellen Spannung- Dehnung-Ergebnissen für unterschiedliche Beanspruchungsarten durchgeführt werden. Außerdem sind numerische und physikalische (strukturbezogene) Faktoren im Zusammenhang mit der Blechumformung zu betrachten. Diese Arbeit gehört in diesen Zusammenhang und befasst sich mit der Formulierung des Materialmodells, sowie seiner Anwendung bei der Berechnung von Blechumformprozessen. Verschiedene Faktoren, die die Umformsimulation und die Rückfederung beeinflussen, werden untersucht. Bei komplexen Umformprozessen treten große plastische Verformungen und damit verbunden Fließanisotropie auf, die von der Entwicklung bleibender Versetzungsstrukturen verursacht wird. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Formulierung und Identifizierung eines phänomenologischen Modells, das den Einfluss der orientierten Versetzungsmikrostrukturen auf das anisotrope Verfestigungsverhalten berücksichtigt. Das Modell berücksichtigt die Änderungen der Größe, des Zentrums und der Form der Fließfläche, die mit isotroper-, kinematischer- und Querverfestigung in Verbindung stehen. Die Identifikation des ferritischen Stahls LH800 wird anhand von Scher-, Scher-Rückscher- und Zug-Scher-Tests durchgeführt. Das identifizierte Modell wurde durch Nachrechnen des Spannung-Dehnung-Zusammenhangs für verschiedene Zug-Scher-Lastpfade, zu denen experimentelle Ergebnisse vorlagen, validiert. Die Ergebnisse bzw. der Vergleich der theoretischen Vorhersagen mit den Experimentalergebnissen zeigen, dass Querverfestigungseffekte bei Stählen wie LH800 berücksichtigt werden müssen. Umformungen bei Metall gehen mit großen Dehnungen und ausgeprägten Belastungspfadwechseln einher. Große plastische Dehnungen führen in vielen Metallen zu der Entwicklung von bleibenden Versetzungsstrukturen, was zu starker Fließanisotropie f¨uhrt. Das vielleicht bekannteste mikromechanisch basierte phänomenologische Modell für anisotrope Verfestigung bei nicht-proportionalen Lastpfaden, die durch Richtungswechsel charakterisiert werden, ist das von Teodosiu und Hu (1995, 1998). Im dritten Kapitel wird eine vereinfachte Formulierung eines modifizierten Teodosiu Modells vorgeschlagen. Das vereinfachte Modell und das nicht vereinfachte Modell werden dann anhand der verfügbaren Versuchsergebnisse für den ferritischen Stahl LH800 und den IF-Stahl DC06 identifiziert. Schließlich werden die Modellverhalten des Vollmodells und des vereinfachten Modells miteinander verglichen. Das vierte Kapitel der Arbeit befasst sich mit der Identifizierung des Materialmodells für den Stahl LH800 basierend auf verschiedenen Testdaten. Der Einfluss der Belastungspfad wechsel während des Umformens wird mit dem im ersten Kapitel präsentierten Materialmodell modelliert. Hierfür sind Experimente erforderlich, die den meisten proportionalen und nichtproportionalen Lastpfadwechseln, wie sie in realen Blechumformprozessen auftreten, ähneln. In der vorliegenden Arbeit wurden drei Testarten verwendet, nämlich zyklische Biegeversuche, Zug-Druck-Versuche und Scher-Rückscher-Versuche im Zusammenhang mit orthogonalen Zug-Scher-Versuchen, um drei Parametersätze für das vorgestellte Modell zu bestimmen. Die erwähnten Tests beinhalten unterschiedlich hohe inelastische Deformationen und verschiedene Spannungszustände. Daher ist es sinnvoll, den Einfluss der zugrunde liegenden Versuche auf die Materialparameter zu untersuchen. Die identifizierten Datensätze werden dann für die Simulation eines Streifenzugbiegeversuchs verwendet. Dies beinhaltet auch die rechnerische Vorhersage der Rückfederung. Die berechnete Rückfederung wird für alle Datensätze mit der experimentell ermittelten Rückfederung verglichen. Eine akkurate Berechnung des Tiefziehens und der Rückfederung gelingt nur, wenn man eine Reihe an Faktoren / Parametern berücksichtigt. Diese Einflussfaktoren lassen sich in die Kategorien physikalisch und numerisch einteilen. Das fünfte Kapitel dieser Arbeit befasst sich mit dem Einfluss des Typs, der Ordnung und des Integrationsschemas des verwendeten finiten Elements sowie mit dem Einfluss der Diskretisierung. Dies gehört zu der Kategorie der numerischen Parameter. Im Bereich der physikalischen Parameter, die das Berechnungsergebnis beeinflussen, werden der Radius des Tiefziehwerkzeugs, der Reibkoeffizient, die Haltekraft (Zugkraft im Blech) und das Materialmodell untersucht. Das Ziel dabei ist die optimale Wahl des Elementtyps, des Netzes, der Kontakt- und Reibungsmodellierung und anderer Parameter, sodass eine effiziente, robuste und konvergente Lösung für die Simulation der Blechumformung und der damit verbundenen Rückfederung gefunden werden kann.
The experimental and theoretical characterization of sheet metal forming continues to present a number of challenges for theorists and experimentalists alike. Among the foremost issues in this regard is a realistic model for the material behavior. The material model should be able to account for the effects of the microstructural development and the development of different types of hardening that evolve due to complex loading path histories involved in sheet metal forming processes. The characterization / identification of the material model needs to be performed for the specific material using the available experiments that produce strain-stress responses for different loading paths. The other issues involved in the characterization of sheet metal forming are the numerical and physical (structural) factors. The current work falls within this context and deals with the formulation of the material model, its characterization and application of this material model to the simulation of sheet metal forming processes. the factors effecting the simulation of metal forming and springback are then discussed. In complex forming processes, sheet metal undergoes large plastic deformations involving significant induced flow anisotropy resulting from the development of persistent oriented (planar) dislocation structures. The first part of this thesis deals with the formulation and identification of a phenomenological model which accounts for the effect of the evolution of this oriented dislocation microstructure on the anisotropic hardening behavior. The model accounts for changes in the size, center, and shape of the yield surface associated with isotropic, kinematic and cross hardening, respectively. Identification of the model for the ferritic sheet metal steel LH800 is carried out with the help of shear, reverse shear, and tension-shear tests. The identified model has been validated by using it to predict the stress-strain behavior of the material along different tension-shear loading paths and comparison with analogous experimental results. The results and, in particular, the comparison of theoretical predictions with experimental results clearly demonstrate the need of including cross hardening effects in the modeling of sheet metals like LH800. Metal forming processes generally involve large strains and severe strain path changes. Large plastic strains in many metals lead to the development of persistent dislocation structures resulting in strong flow anisotropy. Perhaps the most well-known micromechanically-based phenomenological model for anisotropic hardening on (non-proportional) loading paths characterized by directional changes is that of Teodosiu and Hu (1995, 1998). The objective of the third Chapter is to propose a simplified formulation of the modified Teodosiu model presented by Wang et al. (2008). The simplified model and full model are then identified using the available experimental tests for ferritic steel LH800 and IF steel DC06. Finally, the model behavior for the full and simplified models is compared and discussed. The fourth Chapter of the thesis is concerned with the identification of the material model for the steel LH800 using the different sets of tests. The effect of loading path changes during the metal forming processes is modeled by the material model presented in the first Chapter. Now, xiv Summary there is a need for experiments that resemble most of the proportional and non-proportional loading path changes which occur during the real sheet metal forming processes. In the current work we used three types of test data, i.e. cyclic bending test data, tension-compression test data and reverse shear test data along with orthogonal tension shear data to identify the three different sets of material parameters of the presented material model. All three aforementioned tests involve different amounts of inelastic deformation and have different states of stress. Hence, it is instructive to compare the influence of the test data used for identification on the material model parameters. The identified sets of material parameters are then used to simulate a drawbending test and predict the amount of springback. The predicted springback is then compared with the actual experimentally observed springback for each set of material parameters. Accurate simulation of forming and springback in sheet metal forming processes requires taking a number of factors / parameters into account. The factors affecting the simulation of forming and springback fall in two categories: physical and numerical. In the fifth Chapter of this thesis, the attention is focused on the roles played by type, order and scheme of the finite element model and level of mesh refinement, which falls in the category of numerical parameters. For the physical parameters affecting the simulation of forming and springback, the effect of tool radius, friction coefficient, back force (sheet tension) and material model used are investigated. The goal here is an optimal choice of element type, mesh refinement, contact and friction modeling, as well as other numerical and physical parameters in such a way that an efficient, robust and converged solution is achieved in the context of the simulation of sheet metal forming and predicting the springback.
Subject Headings: Material modeling
Parameter identification
Metal forming
Induced anisotropy
Cross hardening
URI: http://hdl.handle.net/2003/27655
http://dx.doi.org/10.17877/DE290R-8825
Issue Date: 2011-03-21
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