Virtuelle Kennwertermittlung für die Umformsimulation von Feinblechen

In der Praxis der Blechumformsimulation besteht für viele Werkstoffe noch Klärungsbedarf, welches Werkstoffmodell erforderlich bzw. ausreichend ist, um diese hinreichend genau abzubilden. Dies betrifft insbesondere neu entwickelte sowie hoch- und höchstfeste Werkstoffgüten, da hier nicht auf Erfahrungswerte zurückgegriffen werden kann. Zur Beschreibung des plastischen Werkstoffverhaltens ist neben der Beschreibung der Werkstoffverfestigung die Wahl und Anpassung des Fließortmodells von zentraler Bedeutung. Bei höher entwickelten Fließortmodellen wird die praktische Anwendung dadurch beeinträchtigt, dass aufgrund der gestiegenen Anzahl an Modellparametern ein erweitertes Prüfprogramm erforderlich ist. Für eine möglichst genaue Anpassung sind zudem Informationen über Belastungszustände erforderlich, die experimentell nicht zugänglich sind. In diesem Forschungsvorhaben wurde ein neuartiger Ansatz für die Erweiterung der experimentellen Datenbasis zur genaueren Ermittlung des Fließorts mittels geeigneter »virtueller Versuche« entwickelt und überprüft. Das grundlegende Konzept besteht darin, das Werkstoffverhalten mit Hilfe von sogenannten Kristallplastizitätsmodellen auf Mikrostrukturebene ortsaufgelöst abzubilden und damit das makroskopische Werkstoffverhalten für beliebige Belastungszustände aus den Mikrostruktur-Simulationsmodellen vorherzusagen. Zur Bewertung der Vorhersagegenauigkeit der virtuell ermittelten Kennwerte wurde ein umfangreiches Versuchsprogramm durchgeführt. Neben den typischen Versuchen zur Grundcharakterisierung von Blechwerkstoffen wurden zusätzlich biaxiale Zugversuche, Scherversuche sowie uni- und biaxiale Druckversuche durchgeführt. Nach erfolgter Validierung der Ergebnisse aus der virtuellen Kennwertermittlung wurden mittels der virtuellen Versuche weitere Belastungszustände untersucht, die experimentell nur sehr schwer oder gar nicht realisierbar sind, z.B. Zugversuche in Blechdickenrichtung oder Biaxialzugversuche mit beliebigen Verhältnissen der beiden Hauptspannungs-komponenten. Die so ermittelten Daten wurden zusätzlich zu experimentellen Daten zur Auswahl und Anpassung der Plastizitätsmodelle in der Umformsimulation verwendet. Hinsichtlich der Anpassung verschiedener Fließortmodelle konnte gezeigt werden, dass durch die zusätzlichen, virtuell ermittelten Punkte auf dem Fließort eine genauere Anpassung der Modellparameter möglich ist: Es wurde drei Werkstoffe betrachtet, die sich hinsichtlich der Komplexität ihrer Mikrostruktur deutlich unterscheiden: Ein Aluminium-Werkstoff AA6014 (Ac-170PX), ein weicher Tiefziehstahl DX56 sowie ein Dualphasenstahl HCT780XD. Es konnte gezeigt werden, dass die virtuell ermittelten Kennwerte wie z.B. Fließ-grenzen, r-Werte, E-Modul und Fließortkurven in guter Übereinstimmung mit den verfügbaren experimentellen Daten sind. Die grundsätzliche Anwendbarkeit der Methodik der virtuellen Kennwertermittlung konnte für die untersuchten Werkstoffe demonstriert werden. Durch die Kombination von experimentellen Daten, die einfach zu ermitteln sind (Zugversuche und hydraulische Tiefungsversuche) und zusätzlichen virtuell ermittelten Daten kann somit eine erweiterte Datenbasis für die Anpassung von Werkstoffmodellen für die Blechumformsimulation ermittelt werden.

For the application of forming simulations a main issue for many materials is still which material model is necessary or sufficient to describe the materials behavior properly. Especially for newly developed or high and highest strength materials this is an important question as the practical experience is not yet available for these materials. The second main aspect for the description of the plastic material behavior that should be considered beside the hardening behavior is to choose and calibrate an appropriate model for the yield locus. The application of sophisticated yield models is sometimes difficult because the increased number of model parameters demands extended experimental investigations. Additionally, information about load cases which cannot be investigated experimentally is necessary to calibrate the models parameters as accurately as possible. In this research project a novel approach was developed and reviewed to extend the experimental database and investigate the shape of the yield surface by using »virtual experiments«. The basic concept is to represent the material behavior by so called crystal plasticity models on the micro scale in a space-resolved manner and use this information to predict the macroscopic material behavior. This microstructure simulation models can be applied for arbitrary load cases. To review the quality of the prediction of the virtually determined material parameters extensive experimental investigations have been realized. Beside the typical experiments for basic characterization of sheet metals additional biaxial tension tests, shear tests and uni- and biaxial compression tests have been performed. After validating the results of the virtual testing additional load cases were investigated. The focus was on loading conditions which can hardly or not at all be realized experimentally, for example tension tests in direction of the sheet thickness or biaxial tension tests with arbitrary ratios of the two principal stresses. The determined data was used as additional information to choose and calibrate the plasticity models for forming simulations. Concerning the calibration of different models for the yield locus the results show that due to the additional, virtually identified points on the yield surface it is possible to calibrate the models parameters more precisely: Three materials have been investigated which differ in the complexity of their microstructure: an aluminum alloy AA6014, a mild deep drawing steel DX56 and a dual phase steel HCT780XD The resulting virtually identified material parameters as for example the yield point, the R-values, the Young's modulus and the yield locus are in good agreement with the available experimental data. The results show that in principal the method of virtual testing can be applied for the investigated materials. Combining experimental data which can be determined easily (tensile tests and hydraulic cupping tests) with virtual identified data can provide an extended database for the calibration of material models for forming simulations.