Modeling and Compensation of Thermic Processing Influence for Short Hole Drilling

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Peter Eberhard
• Subject Area: Metal-Cutting and Abrasive Manufacturing Engineering
• Term: from 2010 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 178689393

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Der vorliegende Bericht stellt die Ergebnisse des aus dem SPP 1480 heraus geförderten und teilweise gemeinsam mit dem IfW der Universität Stuttgart durchgeführten Projekts mit dem Titel‎ „Modellierung‎ und‎ Kompensation‎ thermischer‎ Bearbeitungseinflüsse‎ für‎ das‎ Kurzlochbohren“‎dar. Das übergeordnete Ziel des Gesamtforschungsvorhabens war die Entwicklung einer neuartigen Methodik zur simulativen Beschreibung, Kompensation und Optimierung thermischer Bearbeitungseinflüsse beim Zerspanen mit geometrisch bestimmter Schneide. Um die zuvor genannte Zielsetzung zu erreichen, war es im Rahmen der ersten Förderperiode zunächst erforderlich, das am ITM eigens entwickelte SPH-Modell für ebene elastischplastische Kontinua so zu erweitern, dass sich damit ebenfalls die kinetischen und thermischen Eigenheiten orthogonaler Zerspanprozesse realitätsgetreu in der Simulation abbilden lassen. Hierzu hielten u.a. das Materialmodell nach Johnson-Cook sowie die Wärmeleitungsgleichung nach Fourier in SPH-konformer Formulierung Einzug in die Programmroutine. Im Anschluss an die Implementierung stand eine umfassende Validierung des erweiterten Modells auf der Grundlage experimenteller Referenzdaten sowie Ergebnissen aus FEM-Vergleichsrechnungen im Mittelpunkt der Projektarbeiten. Dieser Vergleich bestätigte die hohe Abbildungsqualität des für das Simulationspaket Pasimodo erarbeiteten SPH-Moduls. Ausgehend vom zuvor entwickelten Modell für ebene Festkörper folgte im Rahmen des zweiten Förderabschnitts dessen Erweiterung hin zu einem räumlichen, vollständig thermomechanisch gekoppelten SPH-Zerspanmodell. Darüber hinaus bildete die Etablierung einer TCP/IP-basierten Programmschnittstelle zwischen Pasimodo und ABAQUS einen der zentralen Gegenstände der Arbeiten des zweiten Projektabschnitts. Die auf diesem Wege erzielte Kopplung der Simulationsmethoden SPH und FEM ermöglicht es, das Verhalten eines real zu zerspanenden Werkstücks numerisch korrekt zu beschreiben sowie zugleich den hierfür erforderlichen Berechnungsaufwand drastisch zu reduzieren. In der dritten und letzten Förderperiode konnten wichtige Erkenntnisse hinsichtlich einer dynamischen, adaptiven Gebietsunterteilung zwischen SPH- und FEM-Modellbereich gewonnen werden. Diese erlaubten es, den für die gekoppelte Simulation benötigten numerischen Aufwand zu senken und dessen Anwendungsattraktivität somit weiter zu steigern. Zusammenfassend ist festzustellen, dass die im Rahmen dieses von der DFG geförderten Projekts durchgeführten Arbeiten die Möglichkeiten der SPH-Methode hinsichtlich der korrekten Abbildung komplexer industrieller Fertigungsprozesse bedeutend vorangebracht haben. Die große Anzahl hochwertiger Publikationen belegt den wissenschaftlichen Projekterfolg.

Publications

• An Approach for the Coupled Simulation of Machining Processes Using Multibody System and Smoothed Particle Hydrodynamics Algorithms. In Proceedings of the 6th Asian Conference on Multibody Dynamics, Shanghai, China, August 26–30, 2012
  Spreng, F.; Eberhard, P.; Fleissner, F.
  
• An Approach for the Coupled Simulation of Machining Processes Using Multibody System and Smoothed Particle Hydrodynamics Algorithms. Theoretical and Applied Mechanics Letters, Vol. 3, No. 1, pp. 013005-1–7, 2013
  Spreng, F.; Eberhard, P.; Fleissner, F.
  
• Simulation of Cutting Processes Using Mesh-free Lagrangian Particle Methods. Computational Mechanics, Vol. 51, No. 3, pp. 261–278, 2013
  Gaugele, T.; Eberhard, P.
  
• The Introduction of a Bi-Adaptive Smoothed Particle Hydrodynamics Formulation Benefical for Machining Process Simulations. In Proceedings of the III International Conference on Particle-Based Methods – Fundamentals and Applications, pp. 602–613, Stuttgart, Germany, September 18–20, 2013
  Spreng, F.; Mueller, A.; Eberhard, P.
  
• The Way to an Enhanced Smoothed Particle Hydrodynamics Formulation Suitable for Machining Process Simulations. In Proceedings of the 8th International SPHERIC SPH Workshop, pp. 255–262, Trondheim, Norway, June 3–6, 2013
  Spreng, F.; Eberhard, P.
  
• A Local Adaptive Discretization Algorithm for Smoothed Particle Hydrodynamics. Computational Particle Mechanics, Vol. 1, No. 2, pp. 131–145, 2014
  Spreng, F.; Schnabel, D.; Mueller, A.; Eberhard, P.
  
• Particles – Bridging the Gap between Solids and Fluids. Procedia IUTAM, Vol. 10, pp. 161–179, 2014
  Eberhard, P.; Seifried, R.; Ergenzinger, C.; Stuehler, S.; Spreng, F.; Beck, F.; Mueller, A.; Fleissner, F.
  
• Smoothed Particle Hydrodynamics with Adaptive Discretization. In Proceedings of the 9th International SPHERIC SPH Workshop, pp. 192–199, Paris, France, June 3–5, 2014
  Spreng, F.; Schnabel, D.; Mueller, A.; Eberhard, P.
  
• An Approach to Error-Estimation-Based Adaptivity in Smoothed Particle Hydrodynamics. In Proceedings of the 10th International SPHERIC SPH Workshop, pp. 155–162, Parma, Italy, June 16–18, 2015
  Spreng, F.; Eberhard, P.
  
• Machining Process Simulations with Smoothed Particle Hydrodynamics. Procedia CIRP, Vol. 31, pp. 94–99, 2015
  Spreng, F.; Eberhard, P.