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EFB-Forschungsbericht Nr. 521

Erweiterung der Modellierung der Wärmefreisetzungsrate für Stähle

efb521

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, M. Eng. Ralf Lorenz, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover

126 Seiten (sw, 70 teils farbige Abb., 5 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-575-6

Preis (Digital) EUR 63,84

Preis (Print) EUR 80,00

Zusammenfassung

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde eine numerische Methodik für die Modellierung und Berechnung des differentiellen Taylor-Quinney Koeffizienten für die Anwendung in Blechumformsimulationen entwickelt. Die Abhängigkeit vom Umformgrad f, der Umformrate f ? und der Spannungstriaxialität ? wurde anhand von zwei Stählen, einem Dualphasenstahl CR590Y980T-DP und einem Tiefziehstahl CR5, beispielhaft untersucht. Zu diesem Zweck wurden der Zugversuch und die Marciniak-Prüfung durchgeführt.

Während der Versuchsdurchführung wurden unter Variation der Probengeometrien (verschiedene Taillierungen der Marciniak-Probe) und Prozessparameter (Umformgeschwindigkeit) mittels Thermografie und optischer Dehnungsmessung lokale Temperaturen und Dehnungen aufgenommen. Durch die anschließende Kopplung der Messergebnisse wurde ein grundlegendes Verständnis für das Wärmefreisetzungsverhalten von Stählen sowie den Einfluss aller relevanten Material- bzw. Prozessparameter (Umformgrad, Umformrate und Spannungstriaxialität) auf die Temperaturentwicklung geschaffen.

Mittels des neu entwickelten Modellansatzes unter Anwendung der Finiten-Volumen-Methode wurde der differentielle Taylor-Quinney Koeffizient für die verschiedenen Parametervariationen berechnet. Die experimentell-numerisch ermittelte Funktion wurde in die FE-Simulationssoftware LS-DYNA implementiert und anhand der durchgeführten Experimente sowie an zwei industrienahen Tiefziehprozessen validiert.

Das IGF-Vorhaben „Erweiterung der Modellierung der Wärmefreisetzungsrate für Stähle" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19245N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 521 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

In this research project, a numerical approach for the modelling and calculation of the differential Taylor-Quinney coefficient was developed for the application in sheet metal forming simulations.

Using the example of two steels, the dependence of a dual phase steel CR590Y980T-DP and a deep drawing steel CR5 on effective plastic strain f, strain rate f ? and stress triaxiality ? was investigated. For this purpose, the tensile test and the Marciniak test were carried out.

During the experimental procedure, local temperatures and plastic strains were recorded by means of thermography and optical strain measurement, varying geometric input variables (different tailings of the Marciniak specimen) and process parameters (forming speed). By coupling the measurement results, a basic understanding of the heat release behaviour of steels and the influence of all relevant material as well as process parameters (strain, strain rate and stress triaxiality) on temperature development was established.

The differential Taylor-Quinney coefficient for the different parameter variations was calculated on the basis of the novel model approach using the finite volume method. The experimental-numerically determined function was implemented in the FE simulation software LS-DYNA and validated on the basis of the experiments performed and the deep-drawing processes associated with industry.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Umformtechnik
2.1.1 Tiefziehen
2.1.2 Blechprüfverfahren
2.2 Wärmefreisetzung
2.3 Wärmeübertragung
2.3.1 Wärmestrahlung
2.3.2 Konvektiver Wärmeübergang
2.3.3 Wärmeleitung
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
4 Werkstoffe
4.1 Materialcharakterisierung
4.1.1 Mechanische Kennwerte
4.1.2 Hydraulische Tiefung
4.1.3 Thermische Eigenschaften
4.2 Materialmodellierung
5 Aufnahme der Dehnungs- und Temperaturfelder
5.1 Zugversuch
5.2 Marciniak-Prüfung
5.3 Kopplung der Messwerte
6 Numerische Methoden
6.1 Modellierung der Wärmefreisetzungsfunktion
6.2 Berechnung des Taylor-Quinney Koeffizienten
6.3 Implementierung der Wärmefreisetzungsfunktion
7 Methoden zur Validierung
7.1 Experimentelle Methoden
7.1.1 Napfzugversuch
7.1.2 Faurecia Sitzseitenteil
7.2 Numerische Simulation
7.2.1 Zugversuch
7.2.2 Marciniak-Prüfung
7.2.3 Napfzugversuch
7.2.4 Sitzseitenteil
8 Diskussion
8.1 Zugversuch
8.1.1 CR590Y980T-DP
8.1.2 CR5
8.1.3 Validierung
8.2 Marciniak-Prüfung
8.2.1 CR590Y980T-DP
8.2.2 CR5
8.2.3 Validierung
8.3 Napfzugversuch
8.3.1 CR590Y980T-DP
8.3.2 CR5
8.4 Faurecia Sitzseitenteil
8.4.1 CR590Y980T-DP
8.4.2 CR5
9 Ergebnisse und Ausblick
9.1 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
10 Literaturverzeichnis
11 Anhang