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SimulationVon der Umformung bis zur Lebensdauerberechnung

Dass Fertigungsprozesse wie das Umformen das spätere Verhalten eines Bauteils – etwa beim Crash – beeinflussen, lässt sich nun mithilfe der parametrischen Prozesskettensimulation bereits während der Produktentwicklung nutzen. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Vorhabens ‚Durchgängige Virtualisierung der Entwicklung und Produktion von Fahrzeugen’ (Viprof) wurden dazu die Prozesse Umformen, Fügen, Lackieren sowie Crash verknüpft.

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Simulation: Von der Umformung bis zur Lebensdauerberechnung

Diese Umform-Crash-Kopplung führt zu einer signifikanten Qualitätserhöhung aufgrund der Berücksichtigung der Verfestigung und der Dickenänderung durch den Umformprozess in den nachfolgenden Simulationen. Die wesentlichen Software-Komponenten sind die FTI FormingSuite und die Ansys Workbench.

Dipl.-Ing. Tobias Menke, Cadfem GmbH, Hannover; Dipl.-Ing. Sebastian Pinner, Volkswagen AG, Wolfsburg und Dr.-Ing. Georg Scheuerer, Ansys Germany GmbH, Otterfing

Simulation: Von der Umformung bis zur Lebensdauerberechnung

Das Bestreben der Industrie, bei der Planung von neuen Produkten die Kosten für Entwicklungen und Prototypenbau immer weiter zu reduzieren, führt zu einem starken Interesse an der Simulation von Gesamtprozessen. Dabei sollen in einem möglichst frühen Stadium die Einflüsse der Fertigungsverfahren auf die Produkteigenschaften berücksichtigt werden. Besonders der Verzug und die Eigenspannungen bedingen sich gegenseitig – und können sich negativ auf die erforderlichen Produkteigenschaften auswirken, unter anderem auf die Form- und Maßhaltigkeit oder das Crash-Verhalten. Bisher wird zum Beispiel bei der numerischen Simulation des Crash-Verhaltens nur bei einzelnen, kritischen Bauteilen die Fertigungshistorie miteinbezogen. Ein Hauptgrund dafür liegt in den erst spät im Produktentwicklungsprozess verfügbaren Ergebnissen aus der Umformsimulation. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass die Umform-Crash-Kopplung zu einer signifikanten Qualitätserhöhung der Ergebnisse führt [1] [2].

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Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Vorhabens ‚Durchgängige Virtualisierung der Entwicklung und Produktion von Fahrzeugen’ (Viprof, http://www.projekt-viprof.de) wurde deshalb eine Verknüpfung der Prozesse Umformen, Fügen, Lackieren sowie Crash zu einer durchgängigen Prozesskettensimulation realisiert. Diese kann sowohl in der Produktentwicklung als auch in der Fertigungsplanung eingesetzt werden. Dabei erfolgt eine Weitergabe der Bauteileigenschaften – etwa die Kaltverfestigung und lokale Wanddickenänderungen, die das Produktverhalten beeinflussen – innerhalb der einzelnen Schritte der Prozesssimulationen. Als Referenzbaugruppe im Rahmen des Viprof-Projektes wurde die in Bild 1 dargestellte Baugruppe gewählt, die für den Seitencrash relevant ist.

Bisheriges Vorgehen und Lösungsansatz
Derzeit werden zur Simulation des Einflusses von Fertigungsverfahren auf die Produkteigenschaften vorwiegend inkrementelle Prozesse verwendet, bei denen eine sequentielle Simulation der Vorgänge des Fertigungsprozesses entsprechend einem Wasserfallmodell erfolgt [3]. Die Verfahren zur Umformsimulation werden bei inkrementellen Methoden üblicherweise nach der Planungsfreigabe des Bauteils eingesetzt, um den Produktionsprozess auszulegen. Durch die Ermittlung und Optimierung von Prozessparametern und Werkzeuggeometrien lässt sich der Prozess absichern und die Qualität der Bauteile erhöhen.

Simulation: Von der Umformung bis zur Lebensdauerberechnung

Die Ausführung solcher Simulationen erfordert einen hohen Planungs- und Zeitaufwand. Deshalb werden inkrementelle Umformsimulationen oft erst ausgeführt, wenn der Konstruktionsstand der betrachteten Bauteile einen hohen Reifegrad erreicht hat. Folglich stehen die Simulationsdaten der Umformsimulation im frühen Entwicklungsprozess bei der Auslegung der Produkteigenschaften noch nicht zur Verfügung. Dies ist ein Grund, warum hier ein alternatives Verfahren, das auf einem inversen Löser basiert, vorgestellt wird.

Der zweite Grund für die Vorstellung eines alternativen Verfahrens ist, dass bei der inkrementellen Methode viele Daten zwischen den verschiedenen Simulationsprogrammen transferiert werden müssen. Das geschieht oft über proprietäre Formate und anwender- oder firmenspezifische Schnittstellen. Deren Zuverlässigkeit ist nicht immer gegeben, da sie von Versionen und Datenformaten (die sich teilweise schnell ändern) der jeweiligen Software-Hersteller abhängig sind. Außerdem werden Parameterabhängigkeiten oft nicht korrekt weitergegeben. Zudem sind automatische Verknüpfungen der Simulationswerkzeuge mit durchgängiger Weitergabe der relevanten Parameter nur selten verfügbar.

Herausforderungen bei der Prozesskettensimulation
Um den beschriebenen Problemen zu begegnen, wird in diesem Beitrag eine gekoppelte Prozesskettensimulation vorgestellt, die von der Umformsimulation bis zur Lebensdauerberechnung mit einem konsistenten und für die verschiedenen Simulationsverfahren durchgängigen Parametersatz einsetzbar ist. Dazu werden die Software-Lösung FormingSuite der Firma Forming Technologies Inc. (FTI) sowie die Workbench-Plattform und die integrierten Simulationsverfahren der Firma Ansys verwendet. Die FormingSuite arbeitet mit einem inversen Lösungsverfahren, das mit nur unwesentlichem Genauigkeitsverlust zu großen Zeiteinsparungen und erhöhter Sicherheit der Simulationsprozesse führt.

Simulation: Von der Umformung bis zur Lebensdauerberechnung

In den letzten Jahren ist zudem zunehmend der Begriff der simulationsgetriebenen Produktentwicklung (Simulation-Driven Product Development, Front Loading...) geprägt worden. Dabei werden in der Konzeptphase neuer Produkte bereits Simulationen zum Crash-Verhalten, zum Themengebiet NVH (Noise, Vibration & Harshness – das heißt unerwünschten Geräuschen im Kraftfahrzeug) oder Festigkeitsberechnungen ausgeführt, um die Produkteigenschaften abzusichern. Die Simulation der einzelnen Fertigungsschritte erfolgt allerdings erst nach der Konzeptabsicherung und der Planungsfreigabe. Da das Produktverhalten aber deutlich von den Fertigungsverfahren beeinflusst wird, ergibt sich die Anforderung, die Simulationsergebnisse der Umformsimulation bereits in der Konzeptentwicklung zur Verfügung zu stellen. Jedoch liegen diese Ergebnisse normalerwiese in einer so frühen Phase der Produktentwicklung noch nicht vor.

Diese Anforderung lässt sich erfüllen, indem inverse (One-Step) Simulationsverfahren für die Umformsimulation eingesetzt werden. Das Schema von inversen Verfahren, die gegenüber den inkrementellen Simulationsverfahren einige Vorteile aufweisen, verdeutlicht Bild 2:

Ausgangspunkte sind die Bauteilgeometrie, die üblicherweise in einem CAD-Format vorliegt, und die zugehörigen Materialdaten.

Im nächsten Schritt wird die Geometrie mit Schalenelementen vernetzt.

Dann wird mit einem inversen Löser auf die Ausgangsplatine zurückgerechnet und die plastische Formänderung ermittelt.

Im letzten Schritt werden die berechneten Ergebnisse auf die Bauteilgeometrie zurückprojiziert (Mapping).

Simulation: Von der Umformung bis zur Lebensdauerberechnung

Als Ergebnis liegen unter anderem die plastischen Dehnungen, die Blechdickenverteilung und die Platinengröße vor. Der Nachteil des inversen Verfahrens ist eine etwas geringere Genauigkeit als bei inkrementellen Methoden. Ferner können keine Aussagen über den Ablauf des Umformprozesses gemacht werden. Die Vorteile sind ein geringer Aufwand zur Vorbereitung der Berechnungen und eine sehr kurze Rechenzeit. Wegen des geringen Informationsbedarfs von inversen Lösern – nur Geometrie und Materialdaten werden benötigt – eignen sie sich besonders gut für frühe Entwicklungsphasen, ganz im Sinne einer simulationsgetriebenen Produktentwicklung. Bei inkrementellen Simulationsverfahren ist dagegen die Kenntnis des Fertigungsprozesses erforderlich. Da der Fertigungsprozess meistens jedoch erst nach Planungsfreigabe definiert wird, ergibt sich ein deutlich höherer Aufwand für die Bereitstellung der Umformhistorie.

Bevor inverse Löser in größerem Maße in simulationsgetriebenen Entwicklungsprozessen eingesetzt werden können, muss jedoch sichergestellt werden, dass sie ausreichend genau sind und zu einer Verbesserung der Simulationsergebnisse in der Produktentwicklung führen. Eine solche Validierung erfolgte im Rahmen des Viprof-Projektes [3], wobei auch die FTI FormingSuite mit inkrementellen Lösern und Messwerten verglichen und bewertet wurde.

Ein Beispiel dieses Vergleichs zeigt Bild 3. Zu sehen ist die mit inkrementellem und inversem Lösungsverfahren berechnete Dickenverteilung für eine B-Säule. Beide Berechnungen weisen sehr gute Übereinstimmungen untereinander und auch mit Messungen auf [3]. Ein ähnliches Ergebnis zeigt der Vergleich der effektiven plastischen Dehnungen. Hier bestehen lediglich im Bereich sehr großer Ziehtiefen erkennbare Unterschiede zwischen dem inkrementellen und dem inversen Verfahren.

Mit diesen sowie mit weiteren Validierungsrechnungen im Rahmen des Viprof-Projektes wurde nachgewiesen, dass die mit der FTI FormingSuite berechneten Ergebnisse gute Übereinstimmungen mit der Realität zeigen. Folglich können die Ergebnisse bei der anschließenden Simulation der Produkteigenschaften verwendet werden, um die Auswirkungen des Umformprozesses zu berücksichtigen.

Schnittstelle zwischen Simulation und Strukturmechanik
Aufgrund der positiven Vergleichsergebnisse wurde das inverse Lösungsverfahren mit der FTI FormingSuite in die Simulationsumgebung Ansys Workbench integriert. Damit sollte aber nicht nur eine Übertragung der Daten aus der Umformsimulation in die Strukturmechanik realisiert werden, sondern die Integration der Simulation in den gesamten Prozess erfolgen. Dabei standen sowohl die einfache Anwendbarkeit als auch eine effiziente Berücksichtigung von Produktänderungen, die während des Entwicklungsprozesses auftreten, im Mittelpunkt des Interesses.

Die Integration der FormingSuite in ein Ansys-Projekt bietet folgende Vorteile: Bei einer zu analysierenden Baugruppe sind die einzelnen Umformsimulationen für die relevanten Bauteile eigenständig ausführbar. Nach erfolgreicher Umformsimulation werden in der strukturmechanischen Analyse den einzelnen Bauteilen die Umformergebnisse zugewiesen und auf das Netz der Strukturmechanik übertragen (Mapping). In der anschließenden strukturmechanischen Berechnung können dann die übertragene Verfestigung und die Dickenverteilung berücksichtigt werden. Diese haben zum Teil einen deutlichen Einfluss auf das Simulationsergebnis! Auftretende Produktänderungen lassen sich zudem schnell berücksichtigen, da eine erneute Definition des Prozesses nicht erforderlich ist. Im Folgenden werden der Arbeitsprozess und dessen Ergebnisse dargestellt.

Die Verifikation der Simulationsergebnisse mit und ohne Umformhistorie erfolgt mit einem 3-Punkt-Biegeversuch. Die B-Säule wird im Versuch sowie in der Simulation (Bild 4) am Fuß und am Kopf fest eingespannt. Dann wird das System durch einen um die y-Achse gelenkig gelagerten Stempel belastet. Eine ebenfalls analysierte Variante mit beweglichen Auflagern ergab keine nennenswerten Unterschiede in den Ergebnissen. Aus diesem Grund wurde die numerisch einfacher zu betrachtende fixierte Lagerung gewählt. Bild 5 zeigt die Ergebnisse, die mit dem in die Ansys Workbench integrierten inversen Löser erzielt wurden. Diese sind mit den Ergebnissen gleichwertig, die mit einer inkrementellen Methode beziehungsweise mit Messungen erzielt wurden.

Zusammenfassung
In diesem Beitrag wurde ein verknüpfter Prozess vorgestellt, der durchgängig für die Berechnung von der Umformung bis hin zur Analyse von Festigkeit und Lebensdauer eingesetzt werden kann. Die wesentlichen Software-Komponenten sind die mit einem inversen Lösungsverfahren arbeitende FTI FormingSuite und die Simulationsplattform Ansys Workbench. Die Verwendung eines inversen Lösungsverfahrens führt zu beträchtlichen Rechenzeitgewinnen bei nur unwesentlichen Genauigkeitseinbußen. Durch die Integration des inversen Lösers von FTI in die Ansys Workbench wird eine Reproduzierbarkeit der Prozesskette erreicht und die Durchgängigkeit (Pervasiveness) von Parametern gewährleistet. Außerdem werden Probleme bei der Datenübertragung reduziert.

In dem verknüpften Prozess konnte ferner gezeigt werden, dass die Umformhistorie einen deutlichen Einfluss auf nachfolgende Simulationen hat. Dies ist für alle Bereiche, in denen dünnwandige Strukturen entwickelt werden, von Bedeutung. Basierend auf den Ergebnissen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Viprof-Projektes wurde deshalb eine leicht zu bedienende, durchgängige Prozesskettensimulation entwickelt. Diese integriert die inverse Umformsimulation in den Arbeitsprozess strukturmechanischer Analysen.

Die mit diesem Verfahren ausgeführten Validierungsrechnungen haben gezeigt, dass die Berücksichtigung der Verfestigung und der Dickenänderung in nachfolgenden Simulationen eine deutliche Verbesserung der Ergebnisse mit sich bringt. Dabei hat sich die Ergebnisqualität der inversen Umformsimulation als ausreichend genau erwiesen.

Dankesworte
Die in diesem Beitrag dargestellten Arbeiten und Ergebnisse wurden im Rahmen des Viprof-Projektes vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Literaturverzeichnis

  1. Waedt, M., D‘Ottavio, M., Wallmersperger, T., Kröplin, B., Wolf, K., Post, P., Preetz, J.-V., Scholl, U.: Kriterien zur Bewertung des Mappings von Umform- auf Crashsimulation, in: LS-DYNA Anwenderforum, Bamberg: 2004.
  2. Peetz, J.-V., Post, P., Scholl, U., Wang, Y., Wolf, K., D‘Ottavio, M., Kröplin, B., Waedt, M.: Verbesserung der Crashvorhersage von Karosseriebauteilen durch Einbeziehung von Ergebnissen aus der Umformsimulation, in: Symposium „Simulation in der Produkt- und Prozessentwicklung“, Bremen 2003.
  3. Pinner, S., Kulp, S., Menke, T., Huhn, S., Steinbeck, J., Kyas, U.: Einsatz inverser Solver innerhalb der Prozesskettensimulation im Bereich Karosseriebau, in: Ansys Conference & 27th Cadfem Users’ Meeting, Leipzig: 2009.

Cadfem GmbH, Grafing bei München Tel. 08092/7005-0, http://www.cadfem.de

Ansprechpartner Viprof bei Cadfem: Dipl.-Ing. Tobias Menke Cadfem Geschäftsstelle Hannover Tel. 0511/390603-20 E-Mail: tmenke@cadfem.de

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