Erweiterte Modellierung des elastischen Werkstoffverhaltens für die Rückfederungssimulation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Werkstoffverhalten von DC06 und DP800 bei thermisch aktivierten Bedingungen zwischen 25°C und 240°C wird beeinflusst durch die statische und dynamische Reckalterung. Infolge der statischen Reckalterung zeigen die beiden Werkstoffe eine Zunahme der Festigkeit ab 150°C bis 240°C. In diesem Temperaturbereich ändert sich das Spannungsverhältnis von 0°, 45° und 90° zur Referenzrichtung, d.h. eine Änderung der plastischen Anisotropie. Zusätzlich zeigt sich eine dynamische Reckalterung für die beiden Werkstoffe im gleichen Temperaturbereich. Infolge der dynamischen Reckalterung weisen die beiden Werkstoffe eine negative Dehnratensensitivität auf. Die negative Dehnratensensitivität lässt sich mit dem isotropen Verfestigungsgesetz nicht darstellen, da die effektive Dehnrate erst nach der Berechnung des effektiven plastischen Dehnungsinkrements bestimmt werden kann. Die Darstellung der anisotropen Verfestigung für DC06 lässt sich mit den variablen R-Werten nicht realisieren, da das plastische Werkstoffverhalten von DC06 in 90° zur Referenzrichtung anormal ist. Daher kann die Berücksichtigung der variablen R-Werte zu einer Verschlechterung der Spannungsvorhersage führen. DP800 zeigt aber eine relative gute Vorhersage der anisotropen Verfestigung in 90° zur Referenzrichtung, wenn der variable R-Wert im Modell berücksichtigt wird. Zur Darstellung der anisotropen Verfestigung ist daher ein neues Werkstoffmodell, mit dem die anisotrope Verfestigung unabhängig vom Werkstoffhalten dargestellt werden kann, notwendig. Das CSS-Modell berücksichtigt das aktuelle Spannungsverhältnis und die aktuellen R-Werte während der Umformung. Infolge der Berücksichtigung der beiden Anisotropien ist die Form der Fließortkurve variable während der plastischen Formänderung. Mit der Formänderung der Fließortkurve lassen sich die anisotrope Verfestigung und die variablen R-Werte darstellen. Das Rückfederungsverhalten eines Werkstoffes kann durch die genaue Darstellung der Spannungszustände und der elastischen Dehnungen mittels der FE-Simulation vorhergesagt werden. Das CSS-Modell stellt anders als in den meisten anderen Werkstoffmodellen ein variables Spannungsverhältnis über die effektive plastische Dehnung, dar, sodass die Spannungsvorhersage mit diesem Modell genauer möglich ist. Infolge der genauen Darstellung der Spannungsvorhersage wird die Rückfederungsvorhersage beim reinen Biegen und beim Ziehbiegen im Vergleich zum originalen Hill‘schen quadratischen Fließkriterium verbessert. Beim reinen Biegeverhalten ist eine qualitative Vorhersage der Rückfederung für die beiden Werkstoffe möglich, wenn der variable E-Modul im CSS-Modell berücksichtigt wird. Für das Ziehbiegen zeigt das CSS-Modell mit dem variablen E-Modul ein vergleichbares Simulationsergebnis für DC06 mit dem Experiment. Für DP800 zeigt das CSS-Modell die besten Simulationsergebnisse von den verwendeten Werkstoffmodellen in diesen Verformungszuständen. Das CSS-Modell berücksichtigt die Änderung der Fließortkurve in Abhängigkeit der variablen plastischen Dehnungsverhältnisse und gleichzeitig in Abhängigkeit der variablen Spannungsverhältnisse. Das Modell eignet sich für die Beschreibung der plastischen Anisotropie in Abhängigkeit von der effektiven plastischen Dehnung, der effektiven Dehnrate und der Temperatur. Außerdem weist das CSS-Modell kein anormales Werkstoffverhalten zur Berechnung der Spannung auf, da das CSS-Modell auf Basis des Spannungsverhältnisses die plastische Anisotropie berechnet. Für die Bestimmung der Anpassungsparameter für das CSS-Modell wird kein großer experimenteller Aufwand benötigt. Es sind nur die einachsigen Zugversuche in 0°, 45° und 90° zur Walzrichtung notwendig, wie beim Hill’sche Kriterium. Da das CSS-Modell mathematisch nicht kompliziert ist, ist es analytisch mit den experimentell ermittelten Spannungen aus den einachsigen Zugversuchen verifizierbar. Das CSS-Modell verbessert die Vorhersagbarkeit der Rückfederung aufgrund der genauen Berechnung der Spannung nicht nur bei einer einzelnen effektiven plastischen Dehnung, sondern über die gesamte effektive plastische Dehnung während der Umformung. Kombiniert mit dem variablen E-Modul ermöglicht das CSS-Modell eine qualitative Vorhersage der Rückfederung beim reinen Biegen. Bei den komplexen Umformmechanismen zeigt das CSS-Modell auch bessere Rückfederungsvorhersagbarkeit als das Hill’sche Fließkriterium. Aufgrund der Simplizität und aufgrund des geringen experimentellen Aufwands kann das CSS-Modell in der Industrie für die Rückfederungssimulation und die Umformsimulation genutzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Improved description of the anisotropic material behavior of DC06 and DP800 steel in the forming simulation with variable R-values, 3rd Zwick Academia day, München, 14.03.2012
J. Kim und W. Volk
- Verbesserung der Beschreibung des anisotropen Materialverhaltens von DC06 und DP800 in der Umformsimulation mit variablen R-Werten, Workshop Simulation in der Umformtechnik, Stuttgart, 23.02.2012
J. Kim, R. Golle und W. Volk
