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EFB-Forschungsbericht Nr. 104

Dynamisches Beulverhalten neuartiger Feinblechwerkstoffe

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. habil. Matthias Kleiner, Dipl.-Ing. Ralf Kollek, Lehrstuhl Konstruktion und Fertigung der Technischen Universität Cottbus, Prof. Dr.-Ing. Hartmut Hoffmann, Dipl.-Ing. Christian Dohnhauser, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der Technischen Universität München

110 Seiten (Sw 50 Abb., 26 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-236-6

Preis (Digital) EUR 45,00

Preis (Print) EUR 50,30

Schlagworte: rostfrei, dynamisch, Festigkeit, Blechdicke

Zusammenfassung

Neben der Festigkeit und Steifigkeit eines Bauteils im rein statischen Belastungsfall muß bei den im Außenbereich eingesetzten Feinblechwerkstoffen auch das Verhalten bei dynamischer Belastung (Stein-, Hagelschlag usw.) betrachtet werden. Dieses Verhalten wird durch den Beulwiderstand charakterisiert, der sich aus der Beulsteifigkeit und der Beulfestigkeit zusammensetzt.

Unter Beulsteifigkeit wird der Widerstand gegen elastische Verformung verstanden, unter Beulfestigkeit der Widerstand gegen plastische Verformung. Die Beule verursachende Größe wird dabei ins Verhältnis zur jeweiligen Beultiefe gesetzt. Die Überschreitung der Beulfestigkeit eines Werkstoffes führt zu plastischen Beulen.

Für die Anwendung von modernen Feinblechwerkstoffen ist es wichtig, wie sich eine im Vergleich zu konventionellen Blechgüten z. T. erhebliche Dickenänderung, die für den Fall der statischen Belastung durch die erhöhte Werkstotfestigkeit kompensiert wird, auf das Verhalten bei dynamischer Belastung auswirkt. Diese Problematik wurde im vorliegenden Forschungsprojekt experimentell und durch Simulationsrechnungen untersucht.

Am Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen (utg) der TU München wurde ein Versuchsaufbau entwickelt und aufgebaut, mit dem der gesamte dynamische Beulvorgang (plastische, elastische und maximale Beultiefe) erfaßt werden kann. Am Lehrstuhl für Konstruktion und Fertigung (KUF) der BTU Cottbus wurden FE-Modelle entwickelt und FE-Simulationsrechnungen durchgeführt.

Während des Projektes wurden folgende Schwerpunkte bearbeitet:
•    Werkstoffeinfluß (Untersuchungen an konventionellen Tiefziehstählen, höheriesten Stählen, Edelstahl rostfrei, aushärtbaren sowie naturharten Aluminiumlegierungen)
•    Einfluß des Beulprüfkörpers (Untersuchungen mit Polypropylen- und Stahlkugel jeweils bei verschiedenen Geschwindigkeiten)
•    Übertragbarkeit der Ergebnisse von Experiment und Simulation (Untersuchungen an verschiedenen Probengeometrien, Untersuchung von Parametern der Probenhalterung, Nachbildung des Einbauzustandes durch Vordehnung und Warmauslagerung, parallele FE-Simulation zu den Experimenten).
Diese Arbeitsschwerpunkte führten zu folgenden Ergebnissen:
•    Die entwickelten Kennwerte und Gesetzmäßigkeiten zur Beschreibung des dynamischen Beulverhaltens sind gleichermaßen für konventionelle Tiefziehbleche, für höherfeste Stahlbleche und für Aluminiumlegierungen gültig.
•    Zur Abschätzung der Beultiefe (elastischer und plastischer Anteil) sind Angaben über Blechdicke, Streckgrenze und dynamische Belastung (Masse und Geschwindigkeit des Beulkörpers) hinreichend, wenn die Umformgeschichte und die Geometrie des Bauteils vernachlässigt werden kann.
•    Für alle Werkstoffe und Geometrien ergibt eine Änderung der Blechdicke eine proportionale Änderung der plastischen Beultiefe und eine etwa halb so große Änderung der elastischen Beultiefe.
•    Um den Einfluß einer verminderten Blechdicke zu kompensieren, muß eine überproportionale Festigkeitssteigerung durch den Werkstoff und durch die Verfestigung im Umformprozeß erzielt werden.
•    Der Einfluß von Festigkeit und Blechdicke ist im untersuchten Bereich kleiner Beultiefen unabhängig von den Parametern der dynamischen Belastung.
•    Der Vergleich zwischen Flachproben und gebogenen Proben zeigt, daß die gebogene Probe eine wesentlich geringere elastische Beultiefe, jedoch eine annähernd gleiche plastische Beultiefe aufweist.
•    FE-Simulationen mit dem Programm LS-Dyna3D sind geeignet, um den dynamischen Beulprozeß zu simulieren. Es ergab sich eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation.
•    Voraussetzung für eine aussagefähige Simulation des Beulvorgangs ist die Verwendung dehnratenabhängiger Fließkurven.
•    Für die Beurteilung der Beulfestigkeit und Beulsteifigkeit von unterschiedlichen Blechwerkstoffen wurden einfache Regressionsfunktionen zur Verfügung gestellt.
•    Diese Funktionen erlauben die Ermittlung "verfahrensabhängiger Beulkennwerte", mit denen der Einfluß von unterschiedlichen Blechdicken und von unterschiedlichen Streckgrenzenwerten unter einer gegebenen Beulbelastung ermittelt werden kann, wenn die konkrete umformende Fertigung und die Geometrie des Bauteils vernachlässigt wird.

Das Forschungsvorhaben „Dynamisches Beulverhalten neuartiger Feinblechwerkstoffe“ wurde unter der Fördernummer AiF 10412B 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. 104 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

1 Ausgangssituation und Forschungsziel
1.1 Ausgangssituation des Projekts
1.2 Beulwiderstand und dynamisches Beulverhalten
1.3 Stand der Technik- Experimentelle Untersuchungen
1.4 Stand der Technik- Simulation des Beulverhaltens
1.5 Projektziel
2 Mittel, Wege und Verfahren
2.1 Arbeitsprogramm
2.2 Versuchsaufbau
2.3 Virtuelle Versuchsanordnung (Finite Element Simulationsberechnungen)
2.4 Untersuchung zur Berechnung des Beulverhaltens realer Bauteile
2.5 Versuchsprogramm und Werkstoffmatrix
3 Experimentelle Untersuchungen zum Beulverhalten
3.1 Ableitung der Darstellungen aus den Meßgrößen
3.2 Einfluß der Auftreffgeschwindigkeit
3.3 Einfluß der Prüfkörper
3.4 Einfluß der Blechdicke
3.5 Einfluß der Streckgrenze
3.6 Einfluß der Geometrie
3.7 Bewertung von Außenhautwerkstoffen
4 Prozeßsimulation
4.1 Bestimmung der Randbedingungen in den FE-Modellen
4.2 Prozeßsimulation der angrenzenden Umformprozesse
4.3 Abgleich zwischen Simulation und Experiment
4.4 Einfluß des Umformergebnisses auf den Beulprozess
4.5 Parameterstudie zur Lagerungsanordnung
5 Anwendung für die Praxis
5.1 Formulierung von Modellfunktionen
5.2 Plastische Beultiefe
5.3 Elastische Beultiefe
5.4 Beispiel
6 Zusammenfassung
7 Literaturverzeichnis
8 Anhang
8.1 Anhang A 1 Lasersensor
8.2 Anhang A 2 Chemische Zusammensetzung
8.3 Anhang A 3 Oberflächenkennwerte
8.4 Anhang A 4 Mittlere Korngröße