Development and verification of a constitutive approach for the determination of high-strain-rate flow curves by means of the cutting process
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde das Werkstoffverhalten von den drei Stählen 16MnCr5, C45 und C70 in jeweils zwei Wärmebehandlungszuständen (normalisiert und grobkorngeglüht) über einen großen Bereich an auftretenden Dehnraten, von quasi-statischen Bedingung bis zu den hoch-dynamischen Bedingungen des Zerspanprozesses untersucht. Die experimentellen Untersuchungen hierzu zeigten deutliche Unterschiede hinsichtlich des Werkstoffverhaltens in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung, der Phasenanteile sowie der Korngröße. Dadurch konnte die Notwendigkeit einer Methodik herausgestellt werden, mittels derer Materialmodellparameter zur Modellierung des Werkstoffverhaltens kalibrieren werden können. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde hierzu eine Lösungsmöglichkeit auf Basis von Optimierungsalgorithmen entwickelt, welche erfolgreich auf die inverse Parameterermittlung angewendet werden konnte. Zusammenfassend wurden die folgenden Projektziele erreicht: Basierend auf inversen Re-Identifizierung von Materialmodellparametern zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens in der Zerspanung konnte gezeigt werden, dass unterschiedliche Parametersets in nahezu identischen Simulationsergebnissen in Bezug auf die integralen Bewertungsgrößen sowie das lokale Lastkollektiv resultieren. - Sowohl der Downhill-Simplex-Algorithmus als auch die Particle-Swarm-Optimization wurden erfolgreich auf das inverse Problem der Parameteridentifizierung angewendet. Es konnte gezeigten werden, dass mittels der Optimierungsalgorithmen eine systematische Methodik genutzt werden kann, mit deren Hilfe ein Parameterset in vertretbaren Rechenzeiten ermittelt werden kann. - Die Kombination der beiden Optimierungsalgorithmen in einem hybriden Optimierungsalgorithmus zeigte eine Verbesserung der Recheneffizienz. Durch den hybriden Optimierungsalgorithmus konnte ein Parameterset invers innerhalb von weniger als 10 Tagen Rechenzeit ermittelt werden. Dies entspricht einer Steigerung um mehr als 100 % im Vergleich zum Stand der Technik. Mittels der entwickelten Algorithmus-basierten inversen Parameterkalibrierung können Parametersets invers aus dem Zerspanprozess in einem Rechenaufwand von circa 10 Tagen kalibriert werden. Dies bietet eine Möglichkeit, Spanbildungssimulationen in der Zukunft weiter zu etablieren und die Ergebnisse der Simulationen stetig zu verbessern.
Publications
- (2019): Inverse Material Model Parameter Identification for Metal Cutting Simulations by Optimization Strategies. MM Science Journal, Special Issue HSM 2019, Nr. 4, S. 3172-3178
T. Bergs, M. Hardt, D. Schraknepper
(See online at https://doi.org/10.17973/MMSJ.2019_11_2019067) - (2020): Determination of Johnson-Cook material model parameters for AISI 1045 from orthogonal cutting tests using the Downhill-Simplex algorithm. Procedia Manufacturing, Jg. 48, S. 541-552
T. Bergs, M. Hardt, D. Schraknepper
(See online at https://doi.org/10.1016/j.promfg.2020.05.081) - (2021): Investigations on the Application of the Downhill-Simplex-Algorithm to the Inverse Determination of Material Model Parameters for FE-Machining Simulations. Simulation Modelling Practice and Theory, Jg. 107. Artikel 102214
M. Hardt, D. Schraknepper, T. Bergs
(See online at https://doi.org/10.1016/j.simpat.2020.102214)
