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EFB-Forschungsbericht Nr. 376

Sensitivitätsanalyse und Robustheitsbewertung beim mechanischen Fügen

efb376

Verfasser:
PD Dr.-Ing. Welf-Guntram Drossel, Dipl.-Ing.(FH) Markus Israel, Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Dresden

120 Seiten (sw, 71 teils farbige Abb., 6 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-419-3

Preis (Digital) EUR 58,44

Preis (Print) EUR 73,00

Zusammenfassung

Das Forschungsprojekt beschäftigt sich mit der Anwendung der FEM-Prozesssimulation von Fügeprozessen gekoppelt mit der statistischen Versuchsplanung (DoE). Auf dieser Basis sind Sensitivitäts- und Robustheitsbewertungen, in denen ein realer und umfangreicher Parameterraum und vielfältigste Parameterkombinationen hinsichtlich ihrer Wirkung auf das Fügeergebnis erfasst werden, mit vergleichsweise geringer Simulationsanzahl möglich. Auch Optimierungsaufgaben können schnell gelöst werden, wenn als Grundlage ein reduzierter Parameterumfang im Ergebnis einer Sensitivitätsanalyse vorliegt.

Die Methodik, Durchführung und Auswertung von simulationsbasierten Sensitivitäts- und Robustheitsbetrachtungen mit Hilfe moderner, intelligenter DoE wird in diesem Projekt an dem Fügeverfahren Clinchen erarbeitet. Die notwendige Reduktion zu berechnender Parameterkonstellationen bei der betrachteten und real auftretenden Vielzahl von Parametern (>10) wird durch die gesteuerte, homogene Verteilung der Parameterkombinationen erzielt. Die Implementierung des Analysetools ermöglicht zudem eine übersichtliche Auswertung hinsichtlich der Einflussstärke und -richtung der einzelnen Parameter auf die Ergebnisgrößen. Es werden unter anderem folgende Fragestellungen beim Clinchen mit deutlich geringerem Aufwand als bisher betrachtet:

  • Sensitivitätsanalyse der Werkzeug- und Prozessparameter und Ermittlung der relevanten Größen als Basis der Werkzeugauslegung.
  • Bemusterungen (Optimierung) von Einzelverbindungen und Kompromissauslegung von Werkzeugsätzen für mehrere Fügepaarungen.
  • Ableitung der Robustheit von Fügeprozessen auf Basis der Streuung/ Unsicherheit u.a. von Werkzeuggeometrien, Halbzeugeigenschaften, Reibung und anderer Parameter im Produktionsprozess.

Am Clinchsystem „starre Matrize“ werden die Funktionalität der Analysen sowie Hinweise zu deren Konfiguration und Handhabung erarbeitet. Als wesentlich wird herausgestellt, dass die Analysen auf einem robusten 2D-rotationssymmetrischen FE-Modell basieren müssen, damit die automatisierte Berechnung und Ergebnisgrößenermittlung möglich ist.

Auf dieser Basis sind sowohl Sensitivitätsanalysen, Optimierungsaufgaben als auch Robustheitsbewertungen einfach durchführbar. Die Sensitivitäts- und Robustheitsanalysen erlauben einen bisher nicht erreichten Blick in die Funktionsmechanismen und Wirkzusammenhänge komplexer Parameterräume und tragen so zu einer deutlichen Erhöhung des Prozessverständnisses bei. Die Optimierung relevanter Parameter kann sowohl für Einzelpaarungen als auch zur Bestimmung ausgemittelter Werkzeugpaarungen (Kompromissauslegung) genutzt werden. Hierbei sind vor allem eine sorgfältige Wahl der Zielfunktion und der Nebenbedingungen für einen schnellen und zielgerichteten Optimierungsablauf erforderlich.

Hinsichtlich der Robustheitsanalyse bedarf es einer möglichst präzisen Kenntnis der Parameterverteilungen, was sich im Laufe des Projektes z.T. als schwierig herausstellte. Unbekannte Parameterverteilungen sollten konservativ angenommen werden. Alle Analysen sind auch für geteilte Matrizensysteme einsetzbar, sofern diese in guter Näherung mit 2D-rotationssymmetrischen Modellen beschrieben werden können.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Sensitivitätsanalyse und Robustheitsbewertung beim mechanischen Fügen“ wurde unter der Fördernummer AiF 16502BR von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 376 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

The research project focuses on FEM process simulation coupled with the design of experiments (DOE). On this basis, sensitivity analysis and robustness analysis, in which real and extensive parameter space and parameter combinations are recorded in terms of their effect on the joining result, are possible with a relatively low number of simulations. Also numerical optimization problems can be solved quickly, having a reduced parameter space as a result of the sensitivity study.

The methodology, implementation and evaluation of simulation-based sensitivity and robustness analysis using modern and intelligent DoE are developed in this project for the clinching process. The necessary reduction of the considered parameter constellations to be calculated for the actually occurring variety of parameters (> 10) is controlled by a homogenous distribution of the parameter combinations within the parameter space.

The implementation of the analysis tool also allows a clear analysis in terms of the strength and influence of the individual parameters on the outcome variables. Amongst others the following questions can be considered with significantly less effort compared with state-of-the-art analysis:

  • Sensitivity analysis of tool and process parameters and determination of the relevant parameters as a basis for tool design.
  • Optimized tool design for single material combinations and determining of compromise tool for joining several material and/or thickness combinations.
  • Derivation of the process robustness on the basis of scattering / uncertainties of tool geometries, material properties, friction and other parameters in the production process.

At the clinching system "rigid die" the functionality of the analyses is qualified and information regarding the configuration and operation the analyses are derived. It is essential that the analysis must be based on a robust 2D rotationally symmetric FE model to enable an automated calculation and identification of result parameters.

On this basis, sensitivity analysis, optimization and robustness evaluation tasks are easy to perform. The sensitivity and robustness analyses allow an unprecedented view on the functional mechanisms and effect relationships of complex parameter spaces, and thus contribute a significant increase in understanding the process. The optimization of relevant parameters can be used for getting a perfect tool set up with regard to optimize the properties of a single connection or for determining a well-balanced tool, which can be used for different joining tasks.

Here, above all, a careful choice of the objective function and of the constraints is required to enable a fast and targeted optimization procedure. Regarding the robustness analysis a precise knowledge of the expected parameter distributions is required, which partly turned out to be difficult in the course of the project. Unknown parameter distributions should be assumed conservative. All analyses can also be used for the clinching systems “extensible die”, in case of a good accordance of experiment and simulation with the simplified 2D rotationally symmetric models.
The goal of this research project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Summary
Formelverzeichnis
Kurzzeichenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
1    Einleitung
2    Stand der Technik
2.1    Clinchen
2.1.1    Definition und Einordnung
2.1.2    Verfahrensablauf
2.1.3    Merkmale und Eigenschaften von Clinchverbindungen
2.1.4    Numerische Beschreibung des Clinchens
3    Stochastische Analysen
3.1    Sensitivitäts- und Robustheitsanalyse
3.2    Optimierung
3.3    Prozessanalysen beim Clinchen
4    Problemstellung und Zielsetzung
4.1    Problemstellung
4.2    Zielsetzung
5    Randbedingungen für Experiment und Simulation
5.1    Versuchswerkstoffe und deren Kennwerte
5.2    Randbedingungen der Probenherstellung
5.3    FE-Modelle
5.4    Parameter und Ergebnisgrößen
5.4.1    Begriffsdefinition
5.4.2    Parameter
5.4.3    Ergebnisgrößen
6    Aufbau der numerischen Analysebasis
6.1    Parametrisiertes FE-Modell
6.2    Analyse-Tool
6.2.1    Sensitivitätsanalyse
6.2.2    Robustheitsanalyse
6.2.3    Optimierung
6.3    Schnittstelle FEM-Tool / Analyse-Tool
7    Stochastische Analysen – Starre Matrize
7.1    Bemusterung EN-AW 6016 / 1,5 mm in 1,0 mm
7.1.1    Verifikation der Simulation an der Referenzpaarung
7.1.2    Sensitivitätsanalyse
7.1.3    Optimierung der Verbindung
7.2    Werkzeug-Kompromissauslegung
7.2.1    Kompromissauslegung für 3 Paarungen
7.2.2    Kompromissauslegung für 4 Paarungen
7.3    Robustheitsanalyse EN-AW 6016 / 1,5 mm in 1,0 mm
7.3.1    Parameter und Randbedingungen
7.3.2    Ergebnisse der Robustheitsanalysen
8    Stochastische Analysen – Geteilte Matrize
8.1    Sensitivitätsanalyse EN-AW 6016 / 1,5 mm in 1,0 mm
8.1.1    Verifikation der Simulation an der Referenzpaarung
8.1.2    Durchführung und Auswertung
8.1.3    Vergleich der Analyseergebnisse beider Matrizensysteme
9    Analyse nicht rotationssymmetrischer Einflüsse
9.1    Einflussparameter und Analyseform
9.2    Ergebnisse der Versatzsimulation
9.3    Zusammenfassung und Bewertung der 3D-Simulationen
10    Ergebnis- und Potentialbewertung
11    Beurteilung von Nutzen und Umsetzbarkeit
11.1    wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
11.2    Innovativer Beitrag und industrielle Anwendungsmöglichkeiten
12    Literatur
Anlagen