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Modellierung inkrementeller Umformverfahren (MiU) - Teilprojekt Modellierung inkrementeller Massivumformung (FR 2089/1-3)

Status abgeschlossen
Ziele

1. Stufenweise verbesserte und validierte Modellierung des Radialumformens mit Hilfe der Finite Element Methode
Inkrementelle Massivumformprozesse wie Ringwalzen und Freiformschmieden haben ein großes Anwendungsspektrum z. B. in der Herstellung von nahtlos gewalzten Ringen, der Fertigung von Achsen für Kraftwerke oder die Durchschmiedung von Stahlblöcken als Halbzeuge für weitere Umformschritte. Um kostspielige Versuche zur Auslegung der Produktionsprozesse so weit wie möglich zu reduzieren, hat sich die numerische Prozessoptimierung im Hinblick auf Material- und Energieverbrauch mit Hilfe der Finite Element Methode etabliert. Mit der Verbesserung der Qualitätskontrolle durch Ultraschallmessungen, die für eine ausreichende Schallbarkeit ein homogenes Gefüge mit kleinen Körnern erfordert, ist zusätzlich die Berücksichtigung der Gefügeentwicklung in der numerischen Simulation der Produktionsprozesse notwendig geworden. Die zu diesem Zweck erfolgte Kopplung von FEM-Simulationen mit Gefügesimulationen erfordert schnelle Berechnungsalgoritmen, wie sie beispielsweise durch die Anwendung der hier verwendeten Mehr-Netz-Methode realisiert werden können.

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Modellierung inkrementeller Massivumformverfahren wie Ringwalzen und Freiformschmieden nach der Finite-Element Methode. Dabei soll die Simulation unter Beibehaltung einer hohen Ergebnisgenauigkeit durch Anwendung der Mehr-Netz-Methode beschleunigt werden. Bei dieser Methode können durch Nutzung von adaptiven FEM-Netzen in Verbindung mit einem separaten Speichernetz die Anzahl der Freiheitsgrade in der FEM-Berechnung reduziert werden. Die eigentliche FEM-Simulation wird dabei auf einem Rechennetz durchgeführt, in dem einzelne Bereiche mit gröberen Elementen vernetzt sind. Nur in der durch die Lage der Werkzeuge definierten Umformzone und gegebenenfalls in Bereichen mit großen Temperaturgradienten oder komplexen Oberflächengeometrien muss das Werkstück mit feinen Elementen diskretisiert werden. Die berechneten Ergebnisse werden auf einem Speichernetz, welches über die gesamte Ausdehnung fein vernetzt ist, gesichert, um einen Informationsverlust aufgrund der verwendeten groben Elemente im Rechennetz zu vermeiden.

Ausgehend vom Speichernetz wird in Abhängigkeit von der Werkzeugposition das Rechennetz generiert und mit einer Datenübertragung die Umformgeschichte des Speichernetzes auf das Rechennetz übertragen. Wird im Laufe der Simulation aufgrund von Elementverzerrungen oder Werkzeugbewegungen die Nutzung eines neuen adaptiven Rechennetzes notwendig, so wird zunächst das Speichernetz aktualisiert. Dazu werden die seit der letzten Vernetzung aufgetretenen Knotenverschiebungen und Änderungen der Knotenwerte (Formänderungen, Temperaturen, …) auf das Speichernetz interpoliert und zu den dort gespeicherten Koordinaten bzw. Knotenwerten addiert. Durch die Übertragung der Differenzen wird vermieden, dass die im Speichernetz vorhandene hohe Genauigkeit verloren geht, was bei der Übertragung der Absolutwerte zwischen groben und feinen Elementen der Fall wäre. Ausgehend von dem so aktualisierten Speichernetz wird anschließend ein neues adaptives Rechennetz auf der Basis des Speichernetzes erzeugt (Abb. 2). Ein wesentlicher Vorteil dieser Methode ist, dass die nicht mehr aktuelle fein vernetzte Umformzone für das nächste Rechennetz ohne Informationsverlust grob vernetzt werden kann und die aktuell fein zu vernetzende Umformzone die bisher berechnete Umformgeschichte mit hoher lokaler Genauigkeit vom Speichernetz erhält.

Die FEM-Simulationen wurden mit dem impliziten FEM-Programm LARSTRAN/Shape durchgeführt, die Mehr-Netz-Methode wurde in den Pre- und Postprozessor PEP (Programmer's Environment for Pre-/Postprocessing) integriert. Ziel der dritten Förderperiode war insbesondere die Kopplung der Mehr-Netz-Methode mit einer phänomenologischen Gefügesimulation zur Vorhersage von Kornwachstum und Rekristallisation. Die Arbeiten wurden am Beispiel des Reckschmiedens von Nickelbasis-Legierungen durchgeführt. Diese Prozesse würden durch die Vielzahl der Umformschritte und den kostspieligen Werkstoff im industriellen Einsatz besonders von einem numerischen Werkzeug zur Prozessauslegung profitieren.


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