DE19917045A1 - Procedure for determining the deformations and stresses of an overall structure consisting of substructures - Google Patents

Procedure for determining the deformations and stresses of an overall structure consisting of substructures

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Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Verformung einer aus Teilstrukturen bestehenden Gesamtstruktur unter Einfluß äußerer Kräfte, wobei die Teilstrukturen zumindest teilweise aus in einem Umformprozeß plastisch verformten Material bestehen und in einem ersten Verfahrensschritt die Veränderung von lokalen Materialkennwerten und der lokalen Blechdicken der Teilstrukturen in dem jeweiligen Umformprozeß ermittelt werden, und wobei in einem weiteren Verfahrensschritt die Verformung der Gesamtstruktur unter Einfluß äußerer Kräfte ermittelt wird, wobei vor der Ermittlung der Verformung der Gesamtstruktur die veränderten lokalen Materialkennwerte sowie die örtlichen Blechdicken der Teilstrukturen auf die Gesamtstruktur abgebildet werden.Method for determining the deformation of an overall structure consisting of partial structures under the influence of external forces, the partial structures at least partially consisting of material plastically deformed in a forming process and in a first step the change in local material parameters and the local sheet thicknesses of the partial structures in the respective forming process are determined , and in a further method step the deformation of the overall structure is determined under the influence of external forces, the changed local material parameters and the local sheet metal thicknesses of the partial structures being mapped onto the overall structure before the deformation of the overall structure is determined.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Verformungen und Spannungen einer aus Teilstrukturen bestehenden Gesamtstruktur unter Einfluß äußerer Kräfte nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a method for determining the deformations and Tensions in an overall structure consisting of substructures under the influence of external ones Forces according to the preamble of claim 1.

In vielen Bereichen der industriellen Technik werden Entwicklungen zunächst einer Computersimulation, beispielsweise bezüglich der statischen oder dynamischen Eigenschaften, unterzogen. Ein am Computer entwickeltes Modell kann so bezüglich der zu erwartenden physikalischen Eigenschaften beurteilt werden, ohne daß ein reales Modell gebaut und im Strukturversuch getestet werden müßte.In many areas of industrial technology, developments initially become one Computer simulation, for example with regard to static or dynamic Properties, subjected. A model developed on the computer can thus with respect to the expected physical properties can be assessed without a real model built and tested in the structural test.

Im Bereich der Automobilindustrie ist es üblich, die Herstellung einzelner Komponenten, insbesondere bei Blechumformteilen, zunächst zu simulieren. Meist wird unter Verwendung eines FEM-Modelles des Ausgangsmaterials der Umformprozeß simuliert. Dabei können Veränderungen der Blechdicke sowie lokale Verfestigungen bei Annahme eines geeigneten Materialmodells ermittelt werden. In einem von der Umformsimulation unabhängigen Simulationsschritt wird die Gesamtstruktur des Automobils oder eine aus mehreren Einzelteilen bestehende Teilstruktur des Automobils einer Crashsimulation oder Festigkeitsberechnung unterzogen. In diese Simulation fließen die Ergebnisse der Umformsimulation nicht ein, es findet allenfalls eine Übernahme der Geometriedaten statt oder es werden für beide Simulationen die gleichen Geometriedaten der Konstruktion genutzt.It is common in the automotive industry to manufacture individual components, especially in the case of sheet metal parts, to be simulated first. Most is used a FEM model of the starting material simulates the forming process. You can Changes in sheet thickness as well as local hardening if a suitable one is adopted Material model can be determined. In an independent of the forming simulation Simulation step is the overall structure of the automobile or one of several Individual parts of the structure of the automobile of a crash simulation or Strength calculation subjected. The results of the Forming simulation does not take place, at best the geometry data is taken over or it is the same geometry data of the construction for both simulations used.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Material- und Geometriedaten des nächsten Simulationsschritts z. B. des Crash-Simulationsmodells näher an denen der realen Struktur sind.The present invention is based on the problem of a method at the outset to create the type mentioned, in which the material and geometry data of the next Simulation step z. B. the crash simulation model closer to that of the real structure are.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß vor der Ermittlung der Verformungen und Spannungen der Gesamtstruktur die veränderten lokalen Verzerrungsgrößen, aus der insbesondere die Blechdicke abgeleitet wird, sowie die lokalen inneren Zustandsvariablen der Teilstrukturen auf die Gesamtstruktur abgebildet werden. Diese Vorgehensweise bietet den Vorteil, daß der mechanische Zustand der umgeformten Einzelteile nach der Fertigung als Ausgangsgröße für die Berechnung des gesamten Modells zur Verfügung steht und ausgewertet werden kann. Neben der Änderung der Geometrie, insbesondere der Blechdicke, durch die Verformung kann ein durch die Fertigungsprozesse verändertes Werkstoffverhalten berücksichtigt werden. Lokale Veränderungen in der Umformzonen von Bauteilen mit großen örtlichen plastischen Verformungen können die Werkstoffeigenschaften, wie zum Beispiel die Fließgrenze und den Bauschinger Effekt, wesentlich beeinflussen. Diese geänderten Werkstoffeigenschaften werden im allgemeinen durch innere Zustandsvariablen (z. B. skalare und/oder tensorielle Verfestigungsgrößen) beschrieben und haben Einfluß auf das Verhalten der Gesamtstruktur bei einem Belastungsversuch. Veränderungen der Festigkeit und der plastischen Verformbarkeit einzelner Bauteile wirken sich unmittelbar auf das Verformungsverhalten der Gesamtstruktur sowie die notwendige Energie zur Erzielung einer unzulässigen Verformung der Gesamtstruktur aus. Bei Berücksichtigung der Veränderung der Werkstoffeigenschaften der Einzelteile in den Fertigungsumformprozessen wird eine höhere Vorhersagegenauigkeit der Simulation erreicht. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die lokalen Materialkennwerte der Teilstrukturen die Fließgrenze und/oder der lokale Verzerrungszustand und/oder weitere lokale innere Zustandsvariable zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens und/oder die lokale Verzerrungsgeschwindigkeit sind. Insbesondere die Fließgrenze ist eine entscheidende Größe zur Bestimmung von Spannungszuständen, die eine plastische Verformung herbeiführen. Wird im Materialmodell das Verfestigungsverhalten durch eine Spannungs/Dehnungsfunktion beschrieben, so läßt sich nur durch Angabe des plastischen Verzerrungszustands, insbesondere der plastischen Vergleichsdehnung, und der Verzerrungsgeschwindigkeit der Verlauf einer Spannungs/Dehnungsfunktion eines verfestigten Werkstoffes aus der zuvor bekannten Spannungs/Dehnungsfunktion ermitteln.This problem is solved by a method according to claim 1. According to the invention it is provided that before the deformations and stresses are determined  Forest the changed local distortion quantities, from which in particular the Sheet thickness is derived, as well as the local internal state variables of the substructures are mapped onto the forest. This procedure has the advantage that the mechanical condition of the formed individual parts after production as an initial variable is available for the calculation of the entire model and can be evaluated can. In addition to changing the geometry, especially the sheet thickness, by the Deformation can change the behavior of the material as a result of the manufacturing processes be taken into account. Local changes in the forming zones of components with large Local plastic deformations can affect the material properties, such as the The yield point and the Bauschinger effect have a significant influence. These changed Material properties are generally determined by internal state variables (e.g. scalar and / or tensorial hardening parameters) and influence the behavior the overall structure in an attempted exercise. Changes in strength and plastic deformability of individual components has a direct effect on the Deformation behavior of the overall structure and the energy required to achieve a inadmissible deformation of the overall structure. Taking into account the change The material properties of the individual parts in the production forming processes become one higher simulation prediction accuracy achieved. It is particularly advantageous if the local material parameters of the substructures the yield point and / or the local Distortion state and / or further local internal state variable to describe the Material behavior and / or the local strain rate. especially the Yield point is a crucial parameter for determining stress states cause plastic deformation. Is the hardening behavior in the material model described by a stress / strain function, can only be given by specifying the plastic distortion state, in particular the plastic comparative strain, and the Distortion speed of the course of a stress / strain function of a Determine the solidified material from the previously known stress / strain function.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist weiterhin vorgesehen, daß die lokale Fließgrenze der Teilstrukturen anhand des lokalen plastischen Verzerrungszustands, insbesondere der plastischen Vergleichsdehnung, sowie der lokalen Verzerrungs­ geschwindigkeit ermittelt wird. Der plastische Verzerrungszustand ist für die Umformung von Bedeutung und wird daher in der Umfomsimulation ermittelt. Die Verknüpfung dieser Größe mit einem geeigneten Materialmodell liefert so eine einfach zu handhabende skalare Größe pro Element. In a preferred embodiment of the method it is further provided that the local Yield point of the substructures based on the local plastic strain state, especially the plastic comparative strain, as well as the local distortion speed is determined. The plastic distortion state is for the transformation of Meaning and is therefore determined in the Umfomsimulation. Linking this size with a suitable material model thus provides an easy-to-use scalar size per item.  

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist weiterhin vorgesehen, daß die Ermittlung der Veränderung der lokalen Materialkennwerte der Teilstrukturen in dem jeweiligen Umformprozeß mit Hilfe eines Finite-Element-Modells der Teilstrukturen erfolgt, wobei das Finite-Element-Modell aus einzelnen Elementen besteht, die durch Elementknoten und Elementflächenmittelpunkte gekennzeichnet sind. Ein gleichartiges Verfahren kommt bei der Ermittlung der Verformung der Gesamtstruktur zum Einsatz. Finite-Element-Verfahren sind gängige Praxis im Bereich der computergestützten Simulation.In a preferred embodiment of the method it is further provided that the Determination of the change in the local material parameters of the substructures in the the respective forming process takes place with the help of a finite element model of the substructures, where the finite element model consists of individual elements that are separated by element nodes and element surface centers are marked. A similar process comes along determining the deformation of the overall structure. Finite element process are common practice in the field of computer-aided simulation.

Zur Durchführung des Verfahrens kann weiterhin vorgesehen sein, daß zur Abbildung der lokalen Materialkennwerte sowie der lokalen Blechdicken der Teilstrukturen auf die Gesamtstruktur die Elemente des Finite-Element-Modells der Teilstrukturen und des Finite- Element-Modells der Gesamtstruktur einander zugeordnet werden, die den kleinsten Abstand voneinander haben, wobei Materialkennwerte des oder der Elemente der Teilstruktur dem zugeordneten Element der Gesamtstruktur zugewiesen werden. Üblicherweise werden in der Umformsimulation Finite-Element-Modelle mit einer sehr feinen Elementierung benutzt. Für die Crashsimulation ist es demgegenüber wünschenswert, Bereiche, in denen eine starke Verformung der Gesamtstruktur erwartet wird, feiner zu elementieren und Bereiche, die vermutlich kleiner Verformungen unterliegen werden, gröber zu elementieren.To carry out the method it can further be provided that the local material parameters and the local sheet thicknesses of the substructures on the Overall structure the elements of the finite element model of the substructures and the finite Element model of the forest are assigned to each other, the smallest Have a distance from each other, whereby material characteristics of the element or elements Substructure can be assigned to the assigned element of the forest. Finite element models with a very fine one are usually used in the forming simulation Elementation used. For the crash simulation, on the other hand, it is desirable Areas where a strong deformation of the overall structure is expected to become finer element and areas that are likely to be subject to small deformations, coarser to element.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß zur Abbildung der lokalen Materialkennwerte sowie der lokalen Blechdicken in der Teilstrukturen auf die Gesamtstruktur die Kanten der Elemente des Finite-Elementen-Modells der Teilstruktur auf das Finite-Element-Modell der Gesamtstruktur projiziert werden, wobei die Materialkennwerte gewichtet dem Element der Gesamtstruktur zugeordnet werden. Diese Ausgestaltung des Verfahrens erlaubt eine besonders einfache Zuordnung der Geometrie des Umformmodells zur Geometrie des Crashsimulationsmodells.Furthermore, it can be provided that the local material parameters and the local sheet thicknesses in the substructures on the overall structure of the edges of the elements of the finite element model of the substructure to the finite element model of Overall structure are projected, the material parameters weighted the element of Forest. This configuration of the method allows one particularly simple assignment of the geometry of the forming model to the geometry of the Crash simulation model.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, daß die Elemente des Gesamtmodells entsprechend ihrer plastischen Vergleichsdehnung klassifiziert werden, wobei jeder der so entstandenen Elementklassen eine Anfangs-Fließgrenze zugeordnet wird. Die Berechnung der Fließgrenze anhand eines Materialmodells wird durch die Klassifizierung vereinfacht. Da das Materialmodell in der Regel aus Versuchen ermittelt wird, bei denen als Ergebnis ein Zahlenpaar Spannung/Dehnung anfällt, können diese Werte recht einfach in eine Klasseneinteilung Spannung/Dehnung übernommen werden.In a further embodiment of the method it can be provided that the elements of the overall model are classified according to their plastic comparative elongation, whereby each of the element classes created in this way is assigned an initial yield point becomes. The yield point is calculated using a material model Classification simplified. Since the material model is usually determined from tests, where the result is a pair of stress / strain numbers, these values can be right simply be included in a stress / strain division.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. An embodiment of the present invention will now be described.  

Für die Umformungssimulation wird das Hill'sche Materialmodell mit ebener plastischer Orthotropie gewählt, welches unterschiedliche R-Werte in den Richtungen 0°, 45° und 90° zur Walzrichtung berücksichtigt. Die isotrope Verfestigung kann in diesem Modell noch zusätzlich von der Dehngeschwindigkeit abhängen. Es werden dazu Spannungs/Dehnungsfunktionen der Art
Hill's material model with flat plastic orthotropy is chosen for the simulation of the forming, which takes into account different R values in the directions 0 °, 45 ° and 90 ° to the rolling direction. In this model, the isotropic hardening can also depend on the rate of expansion. Stress / strain functions of Art

benutzt. Da das Verfestigungsverhalten dehnratenabhängig sein kann, ist sowohl bei der Umform- als auch bei der anschließenden Crashsimulation darauf zu achten, daß in der Simulationsrechnung die richtige physikalische Zeit berücksichtigt wird.used. Since the hardening behavior can be dependent on the strain rate, Forming as well as in the subsequent crash simulation to ensure that in the Simulation calculation the correct physical time is taken into account.

Die Materialmodelle nach Gleichung 1 mit einer skalarwertigen inneren Zustandsvariablen erlauben die Bestimmung der Verfestigung aus der plastischen Vergleichsdehnung εvp. Diese wird mittels
The material models according to equation 1 with a scalar-valued internal state variable allow the determination of the hardening from the plastic reference strain ε vp . This is done using

aus dem plastischen Anteil des plastischen Verzerrungsgeschwindigkeitstensors D P|ij berechnet. Die Größe wird für jeden Integrationspunkt über die Schalendicke ausgewertet. Das Verfahren basiert auf der Annahme einer isotropen Verfestigung unter Vernachlässigung der unterschiedlichen Verfestigung über die Schalendicke durch Wahl eines Mittelwerts sowie unter Vernachlässigung des Eigenspannungszustands. Als Modellparameter verbleiben nur die Schalendicke und die mittlere plastische Vergleichsdehnung, die vom FE-Netz der Umformsimulation auf das Modell der Crashsimulation übertragen werden müssen. Die Zuordnung der Modellparameter auf das Crashmodell erfolgt automatisch mit Hilfe eines Computerprogramms. Dieses bearbeitet folgende Teilaufgaben:
calculated from the plastic part of the plastic strain rate tensor DP | ij. The size is evaluated for each integration point using the shell thickness. The method is based on the assumption of an isotropic hardening, neglecting the different hardening over the shell thickness by choosing an average value and neglecting the residual stress state. The only model parameters left are the shell thickness and the mean plastic comparative strain, which must be transferred from the FE mesh of the forming simulation to the model of the crash simulation. The model parameters are automatically assigned to the crash model with the aid of a computer program. This handles the following subtasks:

  • 1. Geometrische Zuordnung der Elemente1. Geometric assignment of the elements
  • 2. Berechnung der gewichteten Elementwerte (Blechdickenverteilung)2. Calculation of the weighted element values (sheet thickness distribution)
  • 3. Klassifizierung der Elemente (plastische Vergleichsdehnung)3. Classification of the elements (plastic comparative elongation)
  • 4. Schreiben einer neuen Materialkarte.4. Write a new material card.

Als Eingabedaten sind die Ergebnisse aus der Umformsimulation, die zu bearbeitende Eingabedatei der Crashsimulation sowie eine Werkstoffdatei erforderlich. Aus diesen Daten erstellt das Programm eine geänderte Eingabedatei für die Crashsimulation.The results from the forming simulation are the input data to be processed Input file of the crash simulation and a material file required. From this data the program creates a modified input file for the crash simulation.

Die Zuordnung der Elemente des Umformnetzes auf die des Crashnetzes erfolgt unter der Annahme, daß das Netz der Umformsimulation feiner ist als das Netz der Crashsimulation. Es wird zunächst von allen Elementmittelpunkten des Umformnetzes eine Projektion auf das Crashnetz durchgeführt. Die Information, welches korrespondierende Element des Crashnetzes dabei ermittelt wurde, wird für jedes Element des Umformnetzes abgespeichert. Anschließend wird das arithmetische Mittel der Elementdicken jener Elemente des Umformnetzes gebildet, welche genau einem Element des Crashnetzes zugeordnet werden sollen. Diese gewichtete Elementdicke wird dann in der Eingabe-Datei geändert.The elements of the forming network are assigned to those of the crash network under the Assumption that the forming simulation network is finer than the crash simulation network. A projection is first made of all element centers of the forming network on the Crash net performed. The information which corresponding element of the Crash network was determined, is saved for each element of the forming network. Then the arithmetic mean of the element thicknesses of those elements of the Forming network formed, which are assigned to exactly one element of the crash network should. This weighted element thickness is then changed in the input file.

Claims (8)

1. Verfahren zur Ermittlung der Verformung und Spannungen einer aus Teilstrukturen bestehenden Gesamtstruktur unter Einfluß äußerer Kräfte, wobei die Teilstrukturen zumindest teilweise aus in einem Umformprozeß plastisch verformtem Material bestehen und in einem ersten Verfahrensschritt die Veränderung von fokalen Materialkennwerten und der lokalen Verformung der Teilstrukturen in dem jeweiligen Umformprozeß ermittelt werden, und wobei in einem weiteren Verfahrensschritt die Verformung der Gesamtstruktur unter Einfluß äußerer Kräfte ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Ermittlung der Verformung der Gesamtstruktur die veränderten lokalen Materialkennwerte sowie die örtlichen Verformungen der Teilstrukturen auf die Gesamtstruktur abgebildet werden.1.Procedure for determining the deformation and stresses of an overall structure consisting of substructures under the influence of external forces, the substructures at least partially consisting of material plastically deformed in a forming process and, in a first process step, changing focal material parameters and the local deformation of the substructures in the each forming process are determined, and in a further process step the deformation of the overall structure is determined under the influence of external forces, characterized in that before the deformation of the overall structure is determined, the changed local material parameters and the local deformations of the partial structures are mapped to the overall structure. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lokalen Materialkennwerte der Teilstrukturen die Fließgrenze und/oder der Verzerrungszustand und/oder weitere innere Zustandsvariable zur Beschreibung des Werkstoffverhaltens und/oder die Verzerrungsgeschwindigkeit sind.2. The method according to claim 1, characterized in that the local Material properties of the substructures, the yield point and / or the state of distortion and / or further internal state variables to describe the material behavior and / or the rate of distortion. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale Fließgrenze der Teilstrukturen anhand des lokalen Verzerrungszustands und/oder weiterer innerer Zustandsvariablen sowie der lokalen Verzerrungsgeschwindigkeit ermittelt wird.3. The method according to claim 2, characterized in that the local yield point of the Substructures based on the local state of distortion and / or other internal ones State variables and the local distortion speed is determined. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Veränderung der lokalen Materialkennwerte der Teilstrukturen in dem jeweiligen Umformprozeß mit Hilfe eines Finite-Element-Modells der Teilstrukturen erfolgt, wobei das Finite-Element-Modell aus einzelnen Elementen besteht, die durch Elementknoten und Elementflächenmittelpunkte gekennzeichnet sind.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the Determination of the change in the local material parameters of the substructures in the the respective forming process with the help of a finite element model of the substructures takes place, whereby the finite element model consists of individual elements, which by Element nodes and element surface centers are marked. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Verformung der Gesamtstruktur unter Einfluß äußerer Kräfte mit Hilfe eines Finite-Element-Modells der Gesamtstruktur erfolgt, wobei das Finite-Element- Modell aus einzelnen Elementen besteht, die durch Elementknoten und Elementflächenmittelpunkte gekennzeichnet sind.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the Determination of the deformation of the overall structure under the influence of external forces with the help of a finite element model of the overall structure, the finite element  Model consists of individual elements, which are divided by element nodes and Element center points are marked. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abbildung der lokalen Materialkennwerte sowie der lokalen Verformungen der Teilstrukturen auf die Gesamtstruktur die Elemente des Finite-Element-Modells der Teilstrukturen und des Finite-Element-Modells der Gesamtstruktur einander zugeordnet werden, die den kleinsten Abstand voneinander haben, wobei Materialkennwerte des oder der Elemente der Teilstruktur dem zugeordneten Element der Gesamtstruktur zugewiesen werden.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that for Representation of the local material parameters as well as the local deformations of the Substructures on the overall structure of the elements of the finite element model Substructures and the finite element model of the overall structure can be assigned that have the smallest distance from each other, whereby Material characteristics of the element or elements of the substructure to the assigned element assigned to the forest. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abbildung der lokalen Materialkennwerte sowie der lokalen Verformung der Teilstrukturen auf die Gesamtstruktur die Kanten der Elemente des Finite-Element- Modells der Teilstruktur auf das Finite-Element-Modell der Gesamtstruktur projiziert werden, wobei die Materialkennwerte gewichtet dem Element der Gesamtstruktur zugeordnet werden.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that for Representation of the local material parameters as well as the local deformation of the Substructures on the overall structure the edges of the elements of the finite element Projected model of the substructure on the finite element model of the overall structure be, the material parameters weighted the element of the overall structure be assigned. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente des Gesamtmodells entsprechend ihres plastischen Verzerrungszustands klassifiziert werden, wobei jeder der so entstandenen Elementklassen eine Spannungs/Dehnungsfunktion zugeordnet wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the elements of Overall model classified according to their plastic distortion state with each of the element classes thus created one Stress / strain function is assigned.
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