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EFB-Forschungsbericht Nr. 313

Kinematisches Verfestigungsverhalten von Blechwerkstoffen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Marion Merklein, Dipl.-Ing. Markus Kaupper, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie (LFT), Universität Erlangen-Nürnberg

66 Seiten (sw, 41 teilw. farbige Abb., 4Tab.)

ISBN: 978-3-86776-349-3

Preis (Digital) EUR 59,00

Preis (Print) EUR 66,00

Zusammenfassung

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Qualifizierung eines Biegeversuchs für die Ermittlung des kinematischen Verfestigungsverhaltens von Blechwerkstoffen zur Charakterisierung des Bauschinger-Effekts. Durch Anwendung einer inversen Methodik zur Identifikation der Modellparameter für zwei höherfeste Stahlwerkstoffe und einen Tiefziehstahl konnte eine zufrieden stellende Übereinstimmung mit Resultaten aus Zug-Druck-Experimenten erzielt werden, die bisher zur Ermittlung des Bauschinger-Effekts etabliert sind. Es ist festzuhalten, dass der verwendete Biegeversuch als effiziente Alternative zum Zug-Druck-Versuch prinzipiell geeignet ist.

Die wesentlichen Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • Im Biegeversuch mit Belastungswechsel äußert sich der Bauschinger-Effekt in einem reduzierten Kraftniveau beim Zurückbiegen der Biegeprobe, sodass der Verlauf der Rückbiegekraft zur Anpassung des FE-Modells mit kinematischer Verfestigung genutzt werden kann. Wesentliche Voraussetzungen zur Bereitstellung experimenteller Referenzdaten mit hoher Güte sind eine hinreichende mechanische Stabilität und Präzision der Biegevorrichtung.
  • Basierend auf den Versuchen mit einer prototypischen Anlage der Firma INPRO wurde eine hinsichtlich der mechanischen Stabilität verbesserte Test-Biegevorrichtung unter Beibehaltung der bisherigen Biegekinematik entworfen und aufgebaut. Es wurden Empfehlungen zur Verbesserung des bisherigen prototypischen Anlagenkonzepts erarbeitet, die künftig zur Aufnahme qualifizierter experimenteller Referenzdaten beitragen können.
  • Mittels einer inversen, simulationsgestützten Parameterermittlung kann die kinematische Verfestigung ausgehend von den experimentellen Kraft-Verschiebungsverläufen effizient bestimmt werden. Voraussetzungen hierfür sind die Verwendung einer geeigneten Elementformulierung und hinreichenden Netzfeinheit. Das Werkstoffmodell muss die nichtlinear isotrop-kinematische Verfestigung adäquat abbilden können.
  • Die Bauschinger-Koeffizienten und der korrespondierende Fließbeginn bei Lastumkehr aus Wechselbiegeversuchen stimmen in guter Nährung mit Zug-Druck-Experimenten überein. Die Nachrechnungen der gesamten Zug-Druck-Kurven mit Parametern aus dem Biegeversuch zeigten bedingt durch das "einfache" Werkstoffmodell und die verwendete Anpassungsstrategie geringfügige Abweichungen im Bereich der Verfestigung bei Lastumkehr.

Insgesamt konnte im Projektzeitraum die prinzipielle Eignung des neuartigen Verfahrens zur Charakterisierung des Bauschinger-Effekts für unterschiedliche Stahlwerkstoffe nachgewiesen werden. Ebenso wurden Ansätze und Empfehlungen zur konstruktiven Optimierung der Biegeanlagenausführung erarbeitet und erfolgreich in einer Test-Vorrichtung umgesetzt, so dass eine weitere Verbesserung der invers ermittelten kinematischen Verfestigung möglich sein wird. Darüber hinaus wurden aber auch weitere Einflussfaktoren auf Seiten der numerischen Simulation und des verwendeten Plastizitätsmodells (z.B. Fließfunktion und Verfestigungsansatz) identifiziert.

Das Forschungsvorhaben „Kinematisches Verfestigungsverhalten von Blechwerkstoffen“ wurde unter der Fördernummer AiF 15879N 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. 313 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Inhalt

1. Zusammenfassung
2. Wirtschaftliche und wissenschaftliche Problemstellung
3. Forschungsziele und Lösungsweg
3.1 Forschungsziel
3.2 Vorgehensweise / Lösungsweg
4. Charakterisierung der Versuchswerkstoffe
4.1 Versuchswerkstoffe
4.2 Zugversuche
4.3 Zug-Druck-Versuche
5. Wechselbiegeversuche
5.1 Aufbau und Funktion des Prüfstands
5.2 Versuchsplanung
5.3 Durchführung der Versuche und Ergebnisse
6. Simulationsgestützte Ermittlung der kinematischen Verfestigung basierend auf Wechselbiegeversuchen
6.1 Methodik zur inversen Parameterermittlung
6.1.1 Finite-Elemente-Modell des Biegeversuchs
6.1.2 Werkstoffmodell und Strategie zur Modellanpassung
6.1.3 Numerische Optimierung
6.2 Ergebnisse der Modellanpassung
6.2.1 Anpassung der Kraft-Weg-Verläufe
6.2.2 Kinematische Verfestigungsparameter
6.2.3 Einfluss der FE-Modellierung und der Anpassungsstrategie
7. Vergleichende Bewertung der Resultate aus Zug-Druck- und Wechselbiegeversuch
7.1 Gegenüberstellung der Spannungs-Dehnungs-Verläufe
7.2 Vergleich der Bauschinger-Koeffizienten
8. Konstruktion einer modifizierten Biegevorrichtung
8.1 Aufbau und Umsetzung der Vorrichtung
8.2 Durchführung und Auswertung der Wechselbiegeversuche
9. Empfehlungen/Leitfaden und Voraussetzungen zur Bestimmung der kinematischen Verfestigung mittels Wechselbiegeversuchen
10. Wirtschaftliche Bedeutung
11. Mittelverwendung und Danksagung
12. Publikationen
13. Literatur