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EFB-Forschungsbericht Nr. 221

Komplexe FEM- Simulation von Rohrbiegevorgängen

efb221.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer, Dipl.-Ing. Günter Laux, Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz

78 Seiten (sw 56 Abb., 14 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-178-9

Preis (Digital) EUR 39,00

Preis (Print) EUR 43,90

Zusammenfassung

Ziel des Forschungsvorhabens war eine Verbesserung der Modellbildung, die Abschätzung und Verbesserung der Genauigkeit in der Simulation von Rohrbiegevorgängen und die Untersuchung der Einflüsse ausgewählter Parameter auf die in der Regel im Zielkonflikt stehenden Ergebnisgrößen Wanddickenreduzierung und Ovalisierung. Ein optimiertes Modell wurde entwickelt.

Als Projektergebnis ist die Möglichkeit des Verzichts auf eine Spannbacke und des Einsatzes von Schalenelementen in der Simulation zu nennen. Die Verwendung eines Modells mit Volumenelementen ist nicht erforderlich. Ebenso wurde der Einfluss von Parametern aus der Finiten- Element- Methode deutlich gemacht. Dabei konnte beispielsweise gezeigt werden, dass die Rechenzeit nicht nur von der Anzahl der Elemente abhängig ist, sondern auch die Ausrichtung des Netzes die Rechenzeit beeinflusst.

Weitere Einflussfaktoren sind die Anzahl der Elemente und die Verwendung eines impliziten oder expliziten Codes. Ein weiteres Ergebnis der Untersuchungen ist die Empfehlung, den Biegeprozess immer vollständig zu simulieren. Bereits kleine Änderungen in den geometrischen Parametern können zu merklichen Unterschieden in der Wanddicke führen. Auch wird bei Einschrittverfahren in der Simulation die Ovalisierung nicht berücksichtigt. Die Ovalisierung kann jedoch bei späteren Simulationen wichtig sein.

Im Verlauf der Auswertung der numerischen und experimentellen Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass nicht alle für die Veränderung der Wanddicke auch automatisch für eine Veränderung der Ovalisierung verantwortlich sind. Ergänzend wurden außerdem noch die sich aus dem Prozess ergebenden Längenänderungen der Rohre untersucht. In der Regel fielen die Änderungen am Außenbogen zu lang aus und am Innenbogen ergaben sich zu starke Stauchungen. Die Untersuchung der Prozesswärme ergab eine nicht kritische Temperatur während des Biegens.

Damit ist geklärt, dass für die Simulation quasistatische Materialparameter ausreichend sind und nicht ein Modell unter Berücksichtigung der Prozesswärme und der daraus resultierenden Erhöhung der Rechenzeit zwingend erforderlich ist. Insgesamt konnte die Genauigkeit der Simulation mit Schalenelementen nachgewiesen und verbessert beziehungsweise die vorhandenen Abweichungen quantitativ erfasst werden. Damit erhöht sich für den Anwender die Sicherheit im Umgang mit dem Werkzeug FEM. Außerdem bietet sich für ihn die Möglichkeit einer verbesserten Einschätzung seiner Ergebnisse und der Festlegung der für einen guten Biegeprozess notwendigen Modellparameter.

Das Forschungsvorhaben „Komplexe FEM- Simulation von Rohrbiegevorgängen“ wurde unter der Fördernummer AiF 13199BR von der EFB e.V finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AIF e.V) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWI) gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 221 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich

Summary

The aims of the project were an improvement of model generation, the estimation and improvement
of accuracy in simulation of bending processes as well as the investigation of the influences of selected parameters on thinning and ovalization.

An optimized model was developed. As a result, the possible abdication of clamping dies and the possible use of shells have to be mentioned. The use of a model with volume elements is not necessary. Also, the influence of parameters of the finite- element- method was pointed out. For instance, it was shown that beside of the number of elements the direction of the tube mesh is also responsible for the computation time. Additional factors are the number of elements and the use of an implicit or explicit code.

A further result of the investigations is the suggestion to simulate the bending process completely whenever it is possible. Even small changes in geometrical parameters lead to noticeable changes in wall thickness. In the case of using the one step approach in simulation, the ovalization is not considered. However, the ovalization can be important for later simulations.

During the evaluation of the numerical and experimental investigations it could be determined that not all parameters which are responsible for wall thickness changes are also responsible for the change of the ovalization. In addition, the changes of the tube length were investigated which result from the process. Usually, the stretching was too high at the outer bow and the length was too short at the inner bow.

The investigation of the of the process heat showed that the temperature during bending is not crucial. Consequently, it could be shown that quasistatic material parameters are sufficient for the simulation. Thus, it is not necessary to consider the process heat which would result in an higher calculation time.
In summary it was possible to confirm and to improve the accuracy of the simulation by using shell elements and the existing differences were quantitatively recorded, respectively.

Therefore, the reliability for the user of the FEM method is increased. Moreover, the user is now able to evaluate the results much better and to fix the model parameters for the purpose of a good bending process.
The aim of the project is achieved.

Inhalt

1 Summary
2 Zusammenfassung
3 Einleitung
4 Stand der Technik
4.1 Rohrbiegen
4.2 Rohrbiegemaschinen
4.3 FEM- Simulation
4.4 Eigene Vorarbeiten
5 Wissenschaftlich- technische und wirtschaftliche Problemstellung
6 Beschreibung der untersuchten Varianten
7 Beschreibung der zur Projektbearbeitung eingesetzten Technik
7.1 Rechentechnik
7.2 Die Software
7.3 Die Biegemaschinen
7.4 Die zur Auswertung verwendete Messtechnik
8 Ergebnisse der numerischen Untersuchungen
8.1 Werkstoffkennwerte
8.2 Modellaufbau
8.3 FEM- bedingte Unterschiede in den Ergebnissen
8.3.1 Der Einfluss der Netzausrichtung
8.3.2 Variation der Integrationspunkte
8.3.3 Unterschiedliche Kontakte
8.4 Untersuchungen zu verfahrensbedingten Einflussgrößen
8.4.1 Reibung
8.4.2 Wärmeentstehung beim Biegen
8.4.3 Der Biegewinkel
8.4.4 Einfluss der Wanddicke auf das Umformergebnis
8.4.5 Ergebnisse der Berechnungen für unterschiedliche Rohrdurchmesser
8.4.6 Das Umformergebnis in Verbindung mit unterschiedlichen Biegeradien
9 Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen
9.1 Wanddicken
9.2 Ovalisierung
9.3 Rückfederungswinkel
9.4 Längenänderung
10 Vergleich zwischen Simulation und Experiment
10.1 Vergleich zwischen verschiedenen Simulationspaketen und dem Experiment
10.2 Vergleich zwischen Simulationsergebnissen aus PAM- STAMP und den experimentellen Ergebnissen
10.2.1 Genauigkeit der Abbildung der Wanddicke
10.2.2 Genauigkeit der Abbildung der Ovalisierung
10.2.3 Genauigkeit der Abbildung des Längungsverhaltens
11 Zusammenfassung
12 Anhang