Inverse Materialparameteridentifikation von Blechwerkstoffen für ein anisotropes elasto-plastisches Materialmodell bei finiten Deformationen

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  • Die Wirtschaftlichkeit und Konkurrenzfähigkeit von Fertigungsverfahren ist durch eine stetige Weiterentwicklung der Prozesse bedingt. In diesem Kontext ist das neue Verfahren der Blechmassivumformung, als Kombination und Evolution der beiden Fertigungsmethoden Blechumformung und Massivumformung definiert. Um die hohen Anforderungen in Form von komplexen, integrierten Geometrien einhalten zu können, stellt der Einsatz von FE-Simulationen ein unumgängliches Hilfsmittel dar. Zur Verbesserung der Genauigkeit der Simulationen wird ein Materialmodell in Kombination mit einer Methode zur inversen Materialparameteridentifikation für Stahlblechwerkstoffe implementiert und validiert. Für die UmsetzungDie Wirtschaftlichkeit und Konkurrenzfähigkeit von Fertigungsverfahren ist durch eine stetige Weiterentwicklung der Prozesse bedingt. In diesem Kontext ist das neue Verfahren der Blechmassivumformung, als Kombination und Evolution der beiden Fertigungsmethoden Blechumformung und Massivumformung definiert. Um die hohen Anforderungen in Form von komplexen, integrierten Geometrien einhalten zu können, stellt der Einsatz von FE-Simulationen ein unumgängliches Hilfsmittel dar. Zur Verbesserung der Genauigkeit der Simulationen wird ein Materialmodell in Kombination mit einer Methode zur inversen Materialparameteridentifikation für Stahlblechwerkstoffe implementiert und validiert. Für die Umsetzung des Vorhabens erfolgt eine Untergliederung in drei Teilbereiche: die Materialmodellierung, die Materialcharakterisierung anhand von Experimenten und die inverse Parameteridentifikation. Aufgrund der Betrachtung eines Umformverfahrens für Stahlblechwerkstoffe, bei dem lokal große Formänderungen auftreten, wird ein anisotropes, elasto-plastisches Materialmodell für finite Deformationen benötigt. Um das Stoffgesetz ohne großen Aufwand auf verschiedene Werkstoffe anpassen zu können, wird eine modulare Formulierung eingesetzt. Die Abbildung der geometrisch nicht-linearen Plastizität erfolgt über die Verwendung eines logarithmischen Verzerrungsmaßes und eines Post-Prozessor Schrittes. Das eigentliche Stoffgesetz kann somit auf der Grundlage der linearen Theorie der kleinen Verzerrungen formuliert werden, was den modularen Charakter ermöglicht. Die Implementierung erfolgt mittels User-Subroutines in das kommerzielle FE-Programmsystem MSC.Marc, um einen Einsatz für Umformsimulationen mit komplexen Randbedingungen und Reibungsverhältnissen zu erleichtern. Das hergeleitete und implementierte Stoffgesetz ist in der Lage anisotropes, elasto-plastisches Materialverhalten mit nicht-linearer isotroper, linearer kinematischer und kombinierter Verfestigung zu berechnen. Die Funktionalität des Modells wird anhand verschiedener FE-Rechnungen verifiziert und unter Zuhilfenahme von Vergleichssimulationen zu Beispielen aus der Literatur validiert. Für die Materialcharakterisierung wird ein typisches Tiefzieh- und Blechmassivumformmaterial eingesetzt, welches in der Automobil- und Hausgeräteindustrie Einsatz findet. Die Wahl fällt auf einen DC04-Werkstoff. Dieser einphasig ferritische Stahl für die Kaltumformung weist ein hohes Verformungspotential, bei einer geringen initialen Fließspannung, auf. Er wird in Form eines 2.0 mm starken Stahlblechs eingesetzt, um den Anforderungen der Blechmassivumformung gerecht zu werden. Die Charakterisierung erfolgt u.a. anhand von genormten und etablierten Verfahren, wie z.B. dem uniaxialen Zugversuch. Zur Untersuchung des Materialverhaltens unter mehrachsiger Belastung, was für Umformverfahren wie die Blechmassivumformung von großer Bedeutung ist, liegt das Hauptaugenmerk auf biaxialen Zug- und Druckversuchen. Dabei zeigt sich, dass der aus uniaxialen Zugversuchen unter 0°, 45° und 90° zur Walzrichtung des Blechs extrapolierte Fließbeginn für biaxiale Belastung nicht mit den realen Eigenschaften des Materials in biaxialen Zugversuchen übereinstimmt. Um den experimentellen Aufwand einzugrenzen und Parameter, welche das reale Verhalten möglichst genau abbilden, direkt für das FE-Materialmodell zu bestimmen, wird eine Methode zur inversen Parameteridentifikation implementiert. Das Vorgehen beruht auf dem Einsatz des vollflächigen Verschiebungsfelds eines einzigen, biaxialen Zugversuchs als Eingangsdatensatz. Für die Identifikation wird eine FEMU-Methode verwendet. Dabei werden die Materialparameter einer FE-Simulation des Experiments mittels eines Optimierungsalgorithmus in der Art angepasst, dass das Residuum der Zielfunktion, aus den im Experiment gemessenen und numerisch ermittelten Verschiebungsfeldern, minimal wird. Über dieses Verfahren werden die Parameter der nicht-linearen Verfestigung und die Größen zur Beschreibung des orthotropen Materialverhaltens für den DC04-Stahlblechwerkstoff invers identifiziert. Die Validität der Parameter folgt aus einem Vergleich mit den experimentell ermittelten Werten. Zusätzlich wird ein Benchmarkprozess zur Blechmassivumformung mit den invers identifizierten Werten unter Einsatz des implementierten Materialmodells simuliert. Der Vergleich der Ergebnisse mit einem realen Umformprozess bestätigt die Funktionalität der Implementierung des Materialmodells und der inversen Parameteridentifikation. Es schließt sich eine Erweiterung der Identifikation der Materialparameter auf eine Identifikation des Materialmodells an, welche anhand von anisotropen elastischen Simulationen bei großen Deformationen durchgeführt wird. Mit der vorliegenden Arbeit wird ein substanzieller Beitrag zu Simulationen der Blechmassivumformung in Form eines modularen, anisotropen, elasto-plastischen Materialmodells geleistet. Anhand der experimentellen Materialcharakterisierung wird die Notwendigkeit einer genauen Betrachtung der Werkstoffeigenschaften unter unterschiedlichen Belastungszuständen aufgezeigt. Die inverse Parameteridentifikation zeigt, dass auch mittels eines einzelnen Experiments valide Parameter bestimmt werden können.show moreshow less
  • The economic efficiency and competitiveness of manufacturing methods results from a continuous development of the underlying processes. In this context the new method sheet bulk metal forming is defined as a combination and an evolution of the manufacturing processes sheet and bulk forming. To be able to meet the strict requirements in terms of complex, integrated geometries of the combined forming process FE-simulations are an essential tool. For the improvement of the accuracy of the simulations an inverse method for the identification of material parameters of sheet steel materials is established and validated. For the accomplishment of the work a separation into three parts is performed:The economic efficiency and competitiveness of manufacturing methods results from a continuous development of the underlying processes. In this context the new method sheet bulk metal forming is defined as a combination and an evolution of the manufacturing processes sheet and bulk forming. To be able to meet the strict requirements in terms of complex, integrated geometries of the combined forming process FE-simulations are an essential tool. For the improvement of the accuracy of the simulations an inverse method for the identification of material parameters of sheet steel materials is established and validated. For the accomplishment of the work a separation into three parts is performed: the generation of the material model, the characterization of the material via experiments and the inverse parameter identification. Due to the examination of a forming process for sheet steel materials an anisotropic, elasto-plastic material model for finite deformations is needed. For being able to adapt the model without large efforts to different material behaviors a modular formulation is utilized. The geometrical non-linear plasticity is modeled by using a logarithmic strain measure with a post-processing step. So the actual material model can be formulated based on the linear small strain theory which enables its modular character. The implementation is performed with user subroutines and the commercial FE-simulation program MSC.Marc to be able to take complex boundary conditions and frictional effects into account. With the derived and implemented material model it is possible to simulate anisotropic, elasto-plastic material behavior with non-linear isotropic, linear kinematic and combined hardening. The functionality of the model is verified by several different examples of FE-simulations and validated via a comparison with simulations from the literature. For the characterization of the material behavior a typical deep drawing and sheet bulk metal forming sheet steel is utilized which can be found in the automobile and the household appliance production. It is a DC04 material. This single-phase ferritic cold forming steel shows a small initial yield stress and a high forming potential. To meet the requirements of the sheet bulk metal forming a 2.0 mm thick sheet is used. The characterization is performed via established and standardized testing procedures, like e.g. uniaxial tensile tests. Furthermore biaxial tensile and compression tests are of great interest, as multi-axial load states are present in sheet bulk metal forming processes. It is revealed that the biaxial yield stress, which can be extrapolated from uniaxial tensile tests in 0°, 45° and 90° to the rolling direction of the sheet does not correlate with the real material properties in biaxial tensile tests. To limit the experimental effort and yet to identify material parameters for the FE-material model which represent the real behavior as good as possible an inverse method for the parameter identification is implemented. The employed FEMU-method is based on the utilization of full-field displacement measurements from a single biaxial tensile test as input data. In this method the material parameters of a FE-simulation of the experiment are varied in a way that the residuum of the objective function is minimized. The procedure is controlled by an optimization algorithm and the objective function consists of the experimentally and numerically determined displacement fields. The FEMU-method is used to identify the non-linear hardening and the orthotropic plastic material parameters for the DC04 sheet steel. The identified parameters are validated with the values determined directly via experiments. Furthermore a sheet bulk metal forming benchmark process is simulated with the identified parameters. The consistency of the simulated results with the outcome of real forming processes reveal the functionality of the implemented material model and the inverse parameter identification. In the end the inverse parameter identification is extended to a material model identification using anisotropic elastic simulations at large strain. With this work a substantial contribution for sheet bulk metal forming simulations is achieved by means of creating a modular, anisotropic, elasto-plastic material model. With the experimental material characterization the need for a detailed examination of the material behavior under different loading states is revealed. However, the inverse parameter identification shows that valid parameters can be identified using data from a single experiment.show moreshow less

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Metadaten
Author:Stefan Schmaltz
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-58089
Series (Volume number):Schriftenreihe Technische Mechanik (14)
Referee:Kai Willner
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of publication:2015
Date of online publication (Embargo Date):2015/01/29
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2015/01/16
Release Date:2015/02/09
SWD-Keyword:Umformen; Nichtlineare Kontinuumsmechanik; Modellierung; Simulation; Werkstoffprüfung; Experiment; Parameteridentifikation
Length/size:1-188
Institutes:Technische Fakultät
Technische Fakultät / Department Maschinenbau / Lehrstuhl für Technische Mechanik (LTM)
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 67 Industrielle Fertigung / 670 Industrielle Fertigung
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 67 Industrielle Fertigung / 671 Metallverarbeitung und Rohprodukte aus Metall
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