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Entwicklung eines Verfahrens zur Fließkurvenermittlung durch explizite punktweise inverse Modellierung

Antragsteller Dr.-Ing. Emad Scharifi Arab, seit 7/2024
Fachliche Zuordnung Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Förderung Förderung von 2018 bis 2025
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 393221806
 
Erstellungsjahr 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Fließkurven sind bekanntlich für Umformsimulationen unerlässlich, da sie die für die plastische Verformung erforderliche Spannung beschreiben. Experimentelle Untersuchungen zur Ermittlung von Fließkurven weisen ab einem werkstoffspezifischen Umformgrad, z. B. durch lokale Einschnürung oder durch Reibungseinfluss einen Übergang in einen mehrachsigen Spannungszustand. Infolgedessen tritt eine ungleichmäßige Verformung auf, bei der sich Bereiche lokal stärker plastisch verformen als andere. Bei der Ermittlung von Fließkurven bei hohen Umformtemperaturen spielt zusätzlich die durch Dissipation induzierte Temperaturinhomogenität eine Rolle. Um das Fließverhalten präzise zu beschreiben, stehen unterschiedliche Methoden und Modelle zur Verfügung, die sich in analytische Verfahren und inverse Modellierungsmethoden unterteilen. Während analytische Ansätze auf mathematischen Vereinfachungen und theoretischen Annahmen beruhen, ermöglichen inverse Modellierungsmethoden eine datengestützte Anpassung der Modellparameter, um eine realitätsnahe Abbildung des Werkstoffverhaltens zu gewährleisten. Somit können simulationsbasierte inverse Modellierungsmethoden hingegen die Inhomogenität nachbilden, indem sie die erforderlichen Randbedingungen im Simulationsmodell definieren. Konventionelle inverse Methoden basieren jedoch auf mathematischen Gleichungen, deren Parameter z. B. durch gradientenbasierte Optimierungsmethoden ermittelt werden. Dabei erfordern diese Methoden eine vordefinierte Gleichungsstruktur, wodurch die resultierenden Fließkurven unmittelbar an die gewählte Fließkurvengleichung gebunden und somit limitiert sind. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts ist daher ein Fließkurvenbestimmungsverfahren - FepiM: Fließkurvenbestimmung durch explizite punktweise inverse Modellierung - entwickelt, das unabhängig von einer spezifischen mathematischen Gleichung ist. Dabei kommt eine punktuelle Methodik zur Bestimmung der Fließkurven zur Anwendung, bei der die Datenpaare aus Fließspannung und zugehörigem Umformgrad direkt innerhalb einer einzigen Simulation auf Basis experimenteller Messdaten berechnet werden. Im Rahmen dieses Ansatzes zur Fließkurvenbestimmung ist eine punktuelle Methode implementiert, bei der die Datenpaare aus Fließspannung und dem zugehörigen Umformgrad unmittelbar innerhalb einer einzigen Simulation auf Basis der experimentellen Daten berechnet werden. Diese Vorgehensweise erfordert keine vordefinierte oder vorfestgelegte mathematische Gleichung und ermöglicht die Analyse komplexer Phänomene wie die dynamische Reckalterung oder mehrere Zyklen der dynamischen Rekristallisation, bei denen die Fließkurve durch einen unstetigen Verlauf gekennzeichnet ist. Da die Fließkurve ohne gradientenbasierte Optimierung bestimmt wird, sind zudem Probleme mit der Konvergenz, lokale Minima sowie lange Rechenzeiten durch zahlreiche Iterationen mit einer hohen Anzahl an FE-Simulationen ausgeschlossen. Die im Rahmen dieses Forschungsprojekts gewonnenen Ergebnisse belegen, dass die FepiM- Methode in der Lage ist, Fließkurven mit einer Abweichung von weniger als 5 % gegenüber den experimentell ermittelten Daten vorherzusagen.

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