Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Erweiterung der Modellierung der Wärmefreisetzungsrate für Stähle

Das Ziel dieses Projektes soll die Entwicklung einer pragmatischen Prüfmethode zur Ermittlung einer vom Umformgrad, Dehnrate und Spannnungszustand abhängigen Wärmefreisetzungsfunktion sein. Durch numerische Simulationen und experimentelle Untersuchungen in Form von zeitabhängigen Temperatur- und Dehnungsfeldaufnahmen soll mithilfe einer Kopplung der Ergebnisse aus der Simulation und dem Experiment ein grundlegendes Verständnis für das Wärmefreisetzungsverhalten von Stählen sowie den Einfluss aller relevanten Prozessparameter (Dehnung, Dehnrate und Spannungszustand) aufgebaut werden. Mithilfe dieser Methode soll für verschiedene Stähle (DX56, DP800, DP1000) das Wärmefreisetzungsverhalten untersucht und in ein FE-System eingebunden werden. Somit soll der Stand der Technik wesentlich erweitert werden und eine allgemeine Verbesserung der Abbildungsgüte von thermomechanisch gekoppelten Umformsimulationen erzielt werden. Insbesondere die Fahrzeugindustrie und weite Teile der Metallverarbeitung und des Maschinenbaus zu denen viele KMUs gehören können durch die verbesserte Abbildungsgüte eine Reduzierung des Ausschusses und Nachbearbeitung sowie eine bessere Planung und Entwicklung von Werkzeugkonstruktionen erzielen und somit Kosten reduzieren. Des weiteren können Ingenieursdienstleisterfirmen und Prüflabore durch die angestrebte Messmethodik Ihr Portfolio an Werkstoffcharakterisierungsmöglichkeiten erweitern und die Auslegung von thermomechanischen Prozessen im Vergleich zu Wettbewerbern ohne Möglichkeit einer genauen Abbildung der Wärmefreisetzung deutlich präziser durchführen. Diese qualitativ hochwertige Auslegung soll weiterhin dazu beitragen die weltweit angesehen hohe Qualität von Ingenieursleistungen "Made in Germany" auf diesem Niveau zu halten und auszubauen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde eine experimentell-numerische Methodik für die Modellierung und Berechnung des differentiellen Taylor-Quinney Koeffizienten für die Anwendung in einer Umformsimulation entwickelt. Am Beispiel eines Dualphasenstahls CR590Y980T-DP und eines Tiefziehstahls CR5, wurde die Korrelation der Temperaturentwicklung aufgrund einer plastischen Verformung zu definierten Material- bzw. Prozessparametern (Umformgrad, Umformrate und Spannungstriaxialität) untersucht. Im Zugversuch und in der Marciniak-Prüfung wurden mittels Thermografie und optischer Dehnungsmessung lokale Temperaturen und Vergleichsumformgrade aufgenommen und miteinander gekoppelt. Auf Basis der experimentellen Messwerte sowie dem neuartigen Modellansatz wurde der differentielle Taylor-Quinney Koeffizient für verschiedene Anwendungsfälle berechnet und in die Simulationssoftware LS-DYNA implementiert. Die anschließende Validierung erfolgte anhand ausgewählter Beispiele.

Die erzeugten Ergebnisse ermöglichen insbesondere den kleinen und mittelständischen Unternehmen im Bereich der Blechumformung sowie Simulation von Blechumformprozessen ein erweitertes Verständnis für die Wärmefreisetzung bei der Umformung von Stählen sowie neue Möglichkeiten der Modellierung. Durch die neuen Richtlinien und Messmethoden zur Ermittlung der Wärmefreisetzungsfunktion wird den Anwendern eine wirtschaftliche und technisch sinnvolle Lösung zur Umsetzung einer variablen Wärmefreisetzungsfunktion präsentiert. Durch die Anwendung der variablen Wärmefreisetzungsfunktion wird numerische Abbildung von Umformprozessen durch die genaue Vorhersage der Temperaturentwicklung verbessert, wodurch Rückschlüsse auf das Materialverhalten oder Prozessparameter getroffen werden können. Softwarehersteller können auf Basis der Ergebnisse ihre Solver und FE-Codes erweitern.