New experimental approach for yield loci determination using a modified Nakajima setup
Final Report Abstract
Aktuell werden für die Modellierung des Materialverhaltens von Blechwerkstoffen verschiedenste Versuche herangezogen. Um ein komplexes Materialverhalten modellieren zu können, ist im Allgemeinen ein umfassender, zeit- und kostenintensiver Versuchs- und Auswerteaufwand notwendig. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurde die Möglichkeit untersucht, im Nakajima-Versuch Fließkurven für unterschiedliche Spannungszustände zu ermitteln. Üblicherweise werden im Nakajima-Versuch lediglich Dehnungen ermittelt, die zur Bestimmung der Grenzformänderung herangezogen werden. Um zusätzlich Informationen über Spannungen zu erhalten, wurde die Membrangleichung für biegeschlaffe Membranen eingesetzt. Zur Ermittlung der Membranspannungen wurde ein dreiteiliges Messprinzip angewendet. Neben der Ermittlung von Blechradien und Blechdicke wurde das Spannungsverhältnis im Pol sowie der Anpressdruck zwischen Stempel und Polbereich der Probe ermittelt. Radien und Dicke der Bleche werden mithilfe eines Bildkorrelations-System (DIC) ermittelt. Für die Ermittlung des herrschenden Spannungsverhältnisses im Polbereich der Proben wurden Rückfederungsversuche durchgeführt. Rückfederung ist grundlegend abhängig vom herrschenden Spannungszustand vor Entlastung. Um diese Relation zu kalibrieren, wurden simulative Untersuchungen eingesetzt. Um eine Eindeutigkeit zwischen Rückfederung und Spannungsverhältnis zu erreichen, wurde dieser Zusammenhang um das Dehnungsverhältnis vor Entlastung erweitert und mittels der Response Surface Methode modelliert. Neben dem Spannungsverhältnis wird zudem eine Information über den Anpressdruck im Polbereich der Probe benötigt. Um diese Information zu generieren, wurde ein piezoelektrischer Miniatur- Längsmessdübel (Kraftmessdübel) unterhalb des Pols in den Stempel eingesetzt. Dieser detektiert die elastischen Deformationen des Stempels in Längsrichtung. Dieses Messsystem liefert für unterschiedliche Proben reproduzierbare und unterscheidbare Messsignale. Eine Kalibrierung zwischen Kraftmessdübelsignal und Anpressdruck mittels formgleicher Gegenstempel erwies sich als nicht umsetzbar, weshalb die Kalibrierung mittels der Fließkurven aus dem uniaxialen Zugversuch sowie dem äquibiaxialen hydraulischen Tiefungsversuch abgeleitet wurde. Unter Verwendung einer linearen Interpolation zwischen diesen beiden Randwerten wurde eine Response Surface zur Ermittlung der Anpressdrücke im Probenpol ermittelt. Auf Basis der Ergebnisse wurden Fließkurven für sechs verschiedene Probengeometrien erstellt und mit einem kalibrierten Referenz-Materialmodell verglichen. Die dabei auftretenden Unstimmigkeiten bei der Ermittlung der Fließkurven, vor allem im Spannungsbereich zwischen uniaxialer und ebener Dehnung, sind im Wesentlichen auf Ungenauigkeiten bei der Ermittlung des Anpressdrucks im Pol der Probe zurückzuführen. Als Folgeuntersuchung kann ein künstliches neuronales Netz zum Einsatz kommen. Die für ein Training benötigten Daten können dabei simulativ ermittelt werden. Zudem scheint es möglich, mittels diesen Ansatzes sowohl den Anpressdruck als auch das Spannungsverhältnis im Polbereich der Probe zu ermitteln. Zusammen mit den in diesem Forschungsprojekt erzielten Erkenntnissen und Ergebnissen ergibt sich eine wesentliche Effizienz- und Effektivitätssteigerung im Bereich der Modellierung von Materialverhalten von Blechwerkstoffen.
Publications
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(2018) Innovative measurement technique to determine equibiaxial flow curves of sheet metals using a modified Nakajima test. CIRP Ann 67(1):265–268
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Eder M, Gruber M, Volk W
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(2019) MaterialModeler - From experimental raw data to a material model. SoftwareX 10:100249
Benkert T, Hartmann C, Eder M, Speckmaier F, Volk W
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(2019) Temperature-based determination of the onset of yielding using a new clip-on device for tensile tests. Procedia Manuf 29:490–497
Vitzthum S, Hartmann C, Eder M, Volk W
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(2020) Influence of non-proportional load paths and change in loading direction on the failure mode of sheet metals. CIRP Ann 69(1):273–276
Volk W, Norz R, Eder M, Hoffmann H
