Entwicklung einer Simulationsmethode zur zeiteffizienten Berechnung von Tiefziehprozessen
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Date
2011-11-18
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Publisher
Shaker Verl.
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Abstract
Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Simulationsmethode für Tiefziehprozesse,
die eine sehr schnelle Berechnung der Formänderungen ermöglicht und dabei trotzdem alle
relevanten Einflussgrößen berücksichtigt.
Im ersten Teil dieser Arbeit (Kapitel 4) wird eine entsprechende Methode für die Berechnung
einer einzelnen radialen Schnittlinie vorgestellt, deren Anwendung zunächst auf
rotationssymmetrische Prozesse beschränkt wird. Im zweiten Teil dieser Arbeit (Kapitel 6)
wird eine Methode zur Berechnung eines Fließfelds beschrieben, das den Stofffluss im
Flansch beim Tiefziehen beschreibt und die Übertragung der Schnittlinienberechnung auf
komplexere Bauteilgeometrien ermöglicht.
Die vorgeschlagene Schnittlinienberechnung ist eine inverse Methode, die durch eine
Abwicklung der gegebenen Bauteilgeometrie die Formänderungen entlang der Schnittlinie
bestimmt, wobei die Einflüsse verschiedener Deformationsmechanismen auf die resultierende
Blechdickenverteilung mithilfe analytischer Berechnungsansätze berücksichtigt werden. Der
Tiefziehprozess wird dabei zunächst durch einen einzigen Geometrieabwicklungsschritt
modelliert und in Kapitel 4.4 auf mehrere Geometrieabwicklungsschritte erweitert, um auch
den Ablauf des Prozesses zu berücksichtigen. In Kapitel 5 wird gezeigt, dass die entwickelte
Berechnungsmethode für rotationssymmetrische Prozesse eine sehr hohe Genauigkeit
erreicht, wobei neben einfachen Napfgeometrien auch komplexere Schnittlinienkonturen
untersucht werden. Die dabei erreichte Berechnungsgeschwindigkeit ist trotzdem noch um
fast zwei Größenordnungen höher als die von kommerziell eingesetzten numerischen
Einschrittlösern. Zur Übertragung auf dreidimensionale Bauteilgeometrien wurde die
Schnittlinienberechnung derart hergeleitet, dass sie mithilfe eines Fließfelds, das die
Fließrichtungen im Bauteil angibt, auf beliebige radiale Schnittlinien anwendbar ist. Die
gesamte Dehnungsverteilung im Bauteil kann auf diese Weise durch mehrere radiale
Schnittlinien abgeschätzt werden. Zur Berechnung eines solchen Fließfelds werden in dieser
Arbeit zwei verschiedene Ansätze untersucht. Der erste Ansatz wird aus den Arbeiten zur
Gleitlinientheorie abgeleitet, die in der Vergangenheit zur Berechnung von
Platinengeometrien für das Tiefziehen eingesetzt wurden (siehe Kapitel 2.2.4). Es wird
gezeigt, dass die aus den entsprechenden Gleitlinienfeldern abgeleiteten Fließfelder nur
ungenaue Vorhersagen der Formänderungsverteilungen zulassen. Der zweite untersuchte
Ansatz basiert auf der Annahme, dass die Energie, die zur Umformung im Fließfeld benötigt
wird, minimal ist. Zur Berechnung eines entsprechenden Fließfelds wird eine Methode
entwickelt, die ein kinematisch zulässiges Fließfeld mithilfe von Ansatzfunktionen beschreibt,
110 Zusammenfassung und Ausblick
wobei der Verlauf des Fließfelds durch zwei frei wählbare Parameter beeinflusst werden
kann, die anschließend optimiert werden, sodass die Umformenergie minimal wird. Die
Verifikation (Kapitel 7) zeigt, dass mit dieser Methode eine Vorhersage der
Formänderungsverteilungen im Bauteil mit guter Genauigkeit möglich ist, wobei die
wesentlichen Einflussgrößen berücksichtigt werden. Neben der Vorhersage der
Formänderungen ermöglicht die entwickelte Methode auch die Berechnung weiterer
Ergebnisgrößen, wie beispielsweise des Stempelkraftverlaufs oder der Formänderungspfade.
Eine Abhängigkeit der Genauigkeit von der Geometriekomplexität kann nicht vollständig
vermieden werden. Für die Simulation dreidimensionaler Tiefziehprozesse wird mit der
entwickelten Methode eine Geschwindigkeit erreicht, die um den Faktor 20 schneller ist als
die numerischer Einschrittlöser. Einige Anwendungsmöglichkeiten, die sich aus der
entwickelten Berechnungsmethode ergeben werden abschließend in Kapitel 8 dargestellt.
Description
Table of contents
Keywords
Analytische Berechnung, Prozesssimulation, Tiefziehen