Fakultät Maschinenbau
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Heutzutage werden Strukturen häufig aufwendig konstruiert und nachträglich mithilfe von numerischen Verfahren optimiert. Dennoch kommt es zu erheblichen Schäden infolge von Ermüdungsbrüchen bei wechselnd beanspruchten Bauteilen. Ein Großteil dieser Schäden hat den Ursprung in den im Inneren herrschenden Spannungszuständen, den sogenannten Eigenspannungen.
Diese Eigenspannungen heben sich innerhalb des Bauteils auf und führen zu keiner Formabweichung des Bauteils, weswegen diese Spannungen in Form und Lage nur schwer detektierbar sind und sich häufig negativ auf die Betriebsfestigkeit von Strukturen auswirken.
Mithilfe neuartiger numerischer Methoden können thermomechanische Simulationen angefertigt und Verformungen, sowie Spannungszustände abgeleitet werden. Durch diese Optionen ergeben sich neue Anwendungen, die das Potenzial von Fertigungsverfahren in Hinblick auf die Ausnutzung spezieller Eigenschaften neu eröffnen. Durch die geschickte Anwendung und Vernetzung der Simulation mit der Fertigung können Eigenspannungen gezielt in Lage und Richtung schon während der Produktion des Bauteils eingebracht werden. Im theoretischen Vergleich zu konventionell gefertigten Bauteilen entstehen Strukturen, die hinsichtlich ihrer Bauteillebensdauer optimiert sind.
Isogeometric sheet metal forming simulation is a numerical simulation technique that is used to predict the behavior of sheet metal parts during the forming process [1] and tries to tighten the link with the Computer Aided Design (CAD) description. This technique uses the isogeometric analysis (IGA) approach, which combines the well-established framework of traditional finite element analysis (FEA) and the power of non-uniform rational B-splines (NURBS). In contrast to the approach in a “classical” FEA framework, IGA directly uses the ansatzspace of the CAD geometry for analysis, which opens the possibility to work directly on the exact geometry. Furthermore, the smoothness of the NURBS basis functions results in a more accurate simulation [2].
A powerful method to reduce the computational effort is adaptive mesh refinement, that has been developed and optimized for sheet metal forming applications over several years for standard Finite Elements. However, it remains an open question how an efficient local adaptive mesh refinement strategy can be implemented for complex industrial sheet metal forming simulations based on trimmed NURBS models, which are typically the description in Boundary Representation (B-Rep) CAD-models [3]. First investigations for explicit dynamics have been made in [4].
In this contribution, a detailed comparison between FEA and IGA sheet metal forming applications is conducted. The state of the art for FEA and IGA will be contrasted and the need for an efficient adaptive mesh refinement strategy will be discussed. The goal of our research is to develop an efficient adaptive mesh refinement strategy for isogeometric sheet metal forming simulations in LS-DYNA. This will contribute to closing the efficiency gap between IGA and FEA in explicit dynamics, accelerate the product development process and enable the application of IGA in industrial sheet metal forming simulations.