Verbesserte Blechumformsimulation durch 3D-Werkstoffmodelle und erweiterte Schalenformulierungen

Bei der Simulation von Blechumformprozessen werden nach derzeitigem Stand der Technik in der Regel Schalenelemente basierend auf dem Reissner-Mindlin-Modell in Kombination mit vereinfachten Konstitutivgesetzen verwendet. Diesem Modellierungsansatz liegen einige vereinfachende Annahmen zugrunde. Auf Seiten der Strukturmodellierung werden ebenbleibende Querschnittsfasern sowie vernachlässigbare Normalspannungen in Blechdickenrichtung vorausgesetzt. Bei der Materialmodellierung wird vor dem Hintergrund der Vernachlässigung transversaler Normalspannungen das richtungsabhängige Materialverhalten ausschließlich in der Blechebene beschrieben und somit anisotrope Effekte außerhalb dieser vernachlässigt. Bei bestimmten Blechumformprozessen stößt dieser Modellierungsansatz an seine Grenzen, da einige der getroffenen Annahmen nicht mehr gültig sind. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde ein alternativer Ansatz verfolgt. Bei diesem als „3D-Blechmodellierung" bezeichneten Ansatz werden Schalenelemente höherer Ordnung, die nicht den Restriktionen des Reissner-Mindlin-Modells unterliegen, zur Simulation von Blechumformprozessen genutzt. Diese werden mit 3D-Werkstoffmodellen kombiniert, welche den vollständig dreidimensionalen Verzerrungs- und Spannungszustand berücksichtigen. Um diesen Ansatz verfolgen zu können, wurden im Rahmen des Forschungsprojektes entsprechende Schalenelemente höherer Ordnung entwickelt. Zudem wurde die Methode der virtuellen Kennwertermittlung weiterentwickelt und damit Parameter für 3D-Fließortmodelle für einen Aluminium- und einen Stahlwerkstoff bestimmt. Anhand von numerischen Benchmarks und Vergleichen mit Versuchsergebnissen werden die prinzipielle Anwendbarkeit und die Verbesserung der Ergebnisqualität durch die 3D-Blechmodellierung demonstriert.