DE102017001007A1

DE102017001007A1 - Verfahren zur örtlichen Auswertung nichtlinearer Dehnpfade und ihrer zugehörigen Grenzdehnung mindestens eines durch einen Umformprozess umgeformten metallischen Blechwerkstoffes mittels einer Grenzformkurve

Info

Publication number: DE102017001007A1
Application number: DE102017001007.2A
Authority: DE
Inventors: Heribert Wessels; Stephan Ohnimus
Original assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Current assignee: Inpro Innovationsgesellschaft fuer Fortgeschrittene Produktionssysteme in der Fahrzeugindustrie mbH
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2018-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur örtlichen Auswertung nichtlinearer Dehnpfade und ihrer zugehörigen Grenzdehnungen mindestens eines durch einen Umformprozess umgeformten metallischen Blechwerkstoffes mittels mindestens einer Grenzformänderungskurve. Zur verbesserten Prognostizierung von Versagenspunkten werden die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt:für ein Bauteil aus mindestens einem metallischen Blechwerkstoff werden an ausgewählten Bauteilpunkten die nichtlinearen Dehnpfade, die sich über den Umformprozess einstellen, mittels eines Umformsimulationsprogramms ermittelt und in einem Dehnungsdiagramm visuell dargestellt, indem die zwei Inplane-Hauptdehnungen, aus denen sich die dritte Hauptdehnung ergibt, in das Dehnungsdiagramm eingetragen werden,in dem Dehnungsdiagramm wird durch die experimentell ermittelten Versagenspunkte des metallischen Blechwerkstoffs hindurch als Grenzformänderungskurve die 0-FLC gelegt, die das Material des metallischen Blechwerkstoffes charakterisiert,für jeden Punkt innerhalb des Dehnungsdiagramms wird eine zugehörige charakterisierende Vergleichsdehnungsellipse als φ-isoline angegeben, die ebenfalls in dem Dehnungsdiagramm dargestellt wird,mindestens ein nichtlinearer Dehnpfad wird in dem Dehnungsdiagramm aufgenommen, wobei ein Dehnungsabschnitt des nichtlinearen Dehnpfades, der eine einen aktuellen Dehnungszuwachs bildende Vordehnung darstellt, in dem Dehnungsdiagramm entlang der Vergleichsellipse verschoben wird, bis die Wirkungsrichtung des eine Folgedehnung darstellenden Dehnungszuwachses durch den Null-Punkt des Dehnungsdiagramms verläuft, wobei der neue Vordehnungspunkt ermittelt wird, auf dessen Grundlage die die Vordehnung und die Folgedehnung darstellenden Dehnungen bis zur 0-FLC akkumuliert und der Versagenspunkt des metallischen Blechwerkstoffes des Bauteils vorausbestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur örtlichen Auswertung nichtlinearer Dehnpfade und ihrer zugehörigen Grenzdehnung mindestens eines durch einen Umformprozess umgeformten metallischen Blechwerkstoffes mittels einer Grenzformkurve.
Aus der EP 1 983 455 A2 , die sich auf eine Grenzdehnungsanalyse bezieht, geht hervor, dass zur Auslegung von Umformwerkzeugen sowie von Umformprozessen CAD/CAE (computer aided design / computer aided engineering) Programme verwendet werden, die mittels Finite-Elemente-Modelle (FEM) einen Umformprozess anhand von Simulationsparametern simulieren bzw. modellieren, die zum einen eine Geometrie der im Umformprozess verwendeten Werkzeuge und zum anderen Prozessparameter beschreiben. Die in den Materialpunkten des FE-Modelles auftretenden Dehnungen und andere Zustandsvariablen wie Spannungen des Materials werden dann bei der Simulation in bekannter Weise auf der Basis von Materialgesetzen ermittelt und zur Beurteilung visuell dargestellt.
Für gewöhnlich wird zur Visualisierung von ebenen Tensoren der Dehnung wie auch der Spannung eine Hauptachsentransformation durchgeführt, wobei ein ebener Dehnungstensor in dem Hauptachsensystem durch eine größere Hauptdehnung ε_I (major strain) und eine kleinere Hauptdehnung ε_II (minor strain) dargestellt wird. Entsprechendes gilt für die Darstellung von ebenen Spannungstensoren (major stress, minor stress).
Zur Beurteilung von Materialzuständen wird üblicherweise die Lage eines durch die Hauptdehnungen beschriebenen Dehnungszustandes in Bezug zur Lage einer Grenzdehnungskurve in Betracht gezogen, da die Grenzdehnung in einem Metallblech als der Zustand definiert ist, in dem eine weitere Verformung des Metallblechs ein Versagen des Materials, z.B. die Bildung von Einschnürungen und Rissen in letzterem mit sich bringt.
Zu unterscheiden sind proportionale und nichtproportionale Belastungen. So ändern sich bei einer proportionalen Belastung alle Belastungsparameter wie z.B. die Komponenten eines Dehnungs- oder Spannungstensors in einem festen Verhältnis zueinander. Bei einer nichtproportionalen Belastung kann hingegen jeder Belastungsparameter einer eigenen Zeitfunktion folgen.
Grenzdehnungen eines Materials werden für gewöhnlich in zweiachsigen Versuchen ermittelt, bei denen die Lastkomponenten proportional erhöht werden, bis eine Einschnürung des Materials eintritt. Hierdurch ergibt sich, dass für bestimmte Kombinationen der Hauptdehnungen I und II bei weiterer Zunahme der Dehnungen das Materialversagen eintritt. Eine Kurve entsprechend derartigen Kombinationen wird als Grenzformänderungskurve (Forming Limit Curve, FLC) in einem Grenzformänderungsdiagramm (Forming Limit Diagram, FLD) bezeichnet.
Das Grenzformänderungsdiagramm dient herkömmlich zur Analyse und Visualisierung von Dehnungszuständen und noch vorhandenen Reserven bis zum Materialversagen.
Bei der aus der aus der EP 1 983 455 A2 bekannten Grenzdehnungsanalyse wird von einem Zielzustand des Materials, wie er in der rechnerischen Simulation des Umformprozesses bestimmt wurde, ausgegangen. Dabei kann der Zielzustand insbesondere über einen nichtproportionalen Verlauf der Spannungen und Dehnungen erreicht worden sein. Es wird nun ein proportionaler Verlauf einer Belastung und damit der Spannungen bestimmt, welcher zu demselben Zielzustand im Spannungsraum führt. Zu diesem proportionalen Belastungsverlauf wird der zugehörige proportionale Dehnungsverlauf ermittelt. Der Dehnungszustand, der aus diesem Dehnungsverlauf resultiert, wird als äquivalenter Dehnungszustand bezeichnet. Dieser äquivalente Dehnungszustand kann nun im Grenzdehnungsdiagramm zur Beurteilung des Zielzustandes verwendet werden. Dabei wird der äquivalente Dehnungszustand in Bezug zur Grenzdehnungskurve für proportionale Dehnungen gesetzt.
Bei der realen Bauteilfertigung treten zudem nichtproportionale Dehnpfade auf, wenn z.B. mehrere Umformoperationen aufeinander folgen, und ein bestimmter Bauteilabschnitt erst in eine Richtung und danach eine andere Richtung gedehnt und dann anschließend in der ersten Richtung wiederum gestaucht wird. In derartigen Fällen können nichtlineare Dehnpfade zu einem Versagen unterhalb der Grenzformänderungskurve FLC führen, das bei der simulativen Absicherung mittels Grenzformänderungsdiagramm (FLD) nicht erkannt wird. Dies führt letztendlich zu einem erhöhten technischen Aufwand wie z.B. aufwendigen Werkzeugänderungen und damit zu höheren Kosten in der Werkzeugeinarbeitungsphase. Zum anderen kann das Blechmaterial nicht hinreichend ausgenutzt werden, d.h., das Blechmaterial könnte eigentlich noch intensiver umgeformt werden, so dass unnötig hohe Bauteilkosten anfallen.
Das Grenzdehnungsänderungsdiagramm gemäß 1 der Zeichnungen, aus dem eine Standard-FLC (0-FLC) nebst Sicherheitsabständen sowie Versagenspunkten nichtlinearer Dehnpfade für Stahl DX54D, der am Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart experimentell untersucht worden ist, hervorgehen, verdeutlicht die Problematik einer nichtlinearen Dehnphase für diesen Werkstoff dahin gehend, dass die Versagenspunkte unterhalb der FLC, insbesondere unterhalb der 80%-Linie, kritisch sind.
Bekannt ist weiterhin eine Methode für eine Versagensprognose von Blechwerkstoffen wie z.B. Stahlblechen (VOLK-Methode), bei der neben der experimentell ermittelten Standard-FLC noch 4 - 9 FLCs mit einer vorab aufgebrachten Vordehnung (Folge-FLCs) bestimmt werden müssen, wodurch die Kosten für die Materialqualifizierung deutlich erhöht werden.
Weiterhin geht aus dem Artikel „Einfluss des Formänderungsweges auf die Grenzformänderungen des Feinblechs“, Wolfgang Müschenborn und Hans-Martin Sonne, Arch. Eisenhüttenwes. 46, Nr. 9, September 1975, Seiten 597-602, im Zusammenhang mit der Untersuchung nichtlinearer Dehnpfade die Erkenntnis hervor, dass eine Folge-FLC bzw. die bei ihrer Ermittlung aufgenommenen Dehnpfade im Wesentlichen nur von der Vergleichsvordehnung abhängen.
In diesem Zusammenhang verdeutlicht das Formänderungsdiagramm gemäß 2 der Zeichnungen prinzipiell die Überlegung von Müschenborn und Sonne, für eine Versagungsprognose eines Werkstoffes Folge-FLCs zu bestimmen. Hierzu wird in dem Grenzformänderungsdiagramm (FLD) ein nichtlinearer Dehnpfad aufgenommen, wobei ein erster Dehnungsabschnitt sich vom Nullpunkt des Genzformänderungsdiagramms mit den Koordinaten φ₁ und φ₂ bis zu (φ_v-Isolinie erstreckt. Je nachdem wie der Folgedehnpfad sich darstellt, wird dann eine verschobene Folge-FLC bereitgestellt.
In 2 sind drei mögliche Folgedehnungen dargestellt:

a) der biaxiale Dehnungszustand mit φ₁ = φ₂ als Folgedehnung, wobei sich der Dehnungspunkt gerade weiterbewegt.
b) ein Plane-Strain-Zustand mit φ₂ = 0, wobei sich der Dehnungspunkt senkrecht nach oben bewegt,
c) der Dehnungszustand mit φ₁ = φ₂, wobei sich der Dehnungspunkt nach links oben bewegt.

An den Enden des biaxialen Vordehnpfades und der daran anschließenden Folgedehnpfade kommt es zu einem Versagen des Blechwerkstoffes infolge von Querschnittseinschnürungen. Die Endpunkte repräsentieren daher eine Folge-FLC. Werden die Folgedehnpfade des biaxialen Vordehnungszustandes längs der φ_v-Isolinie verschoben, so ergeben sich die Folgedehnpfade beispielsweise zu einem ebenen Vorverzerrungszustand (Mitte in 2) oder zu einem einachsigen Vorspannungszustand (links in 2) mit jeweils gleich großer Vergleichsdehnung.
2 macht zudem deutlich, dass die Versagenspunkte am Ende der nichtlinearen Dehnpfade mittels der 0-FLC nicht vorher gesagt werden können.
Fig. 2 lässt erkennen, dass Müschenborn und Sonne davon ausgehen, dass jeweils neue Folge-FLCs abgelegt werden. Der aktuelle Dehnungspunkt vor Beginn der Folgedehnung wird so behandelt, als ob keine Dehnung stattgefunden hat. Vielmehr wird für den aktuellen Dehnungspunkt vor Beginn der Folgedehnung eine sinnige 0-FLC zur Verfügung gestellt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur örtlichen Auswertung nichtlinearer Dehnpfade und ihrer zugehörigen Grenzdehnung mindestens eines durch einen Umformprozess umgeformten metallischen Blechwerkstoffes zur Verfügung zu stellen, mit dem unter Verzicht auf Folge-FLCs gegen das Versagen von Werkstoffen, insbesondere Blechwerkstoffen infolge nichtlinearer Dehnpfade effektiv abgesichert werden kann.
Weiterhin sollen ein entsprechendes Computerprogramm, ein entsprechender Datenträger sowie eine entsprechende Datenverarbeitungsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur örtlichen Auswertung nichtlinearer Dehnpfade und ihrer zugehörigen Grenzdehnung mindestens eines durch einen Umformprozess umgeformten metallischen Blechwerkstoffes mittels einer Grenzformkurve FLC, die hier auch als 0-FLC im Unterschied zu Folge-FLC's bezeichnet wird, wobei
für ein Bauteil aus dem mindestens einen metallischen Blechwerkstoff an ausgewählten Bauteilpunkten die sich über den Umformprozess einstellenden nichtlinearen Dehnpfade mittels eines Umformsimulationsprogramms ermittelt und in einem Dehnungsdiagramm visuell dargestellt werden, indem die zwei Inplane-Hauptdehnungen (φ₁, φ₂, aus denen sich die dritte Hauptdehnung ergibt, in das Dehnungsdiagramm eingetragen werden,
in dem Dehnungsdiagramm durch die experimentell ermittelten Versagenspunkte des metallischen Blechwerkstoffs hindurch die Grenzformänderungskurve 0-FLC gelegt wird, die das Material des metallischen Blechwerkstoffes charakterisiert,
für jeden Punkt innerhalb des Dehnungsdiagramms eine zugehörige charakterisierende Vergleichsdehnungsellipse als (φ_v-Isoline angegeben wird, die ebenfalls in dem Dehnungsdiagramm dargestellt wird,
mindestens ein nichtlinearer Dehnpfad in dem Dehnungsdiagramm aufgenommen wird, wobei ein Dehnungsabschnitt des nichtlinearen Dehnpfades, der eine einen aktuellen Dehnungszuwachs bildende Vordehnung darstellt, in dem Dehnungsdiagramm entlang der φ_v-Isolinie parallel verschoben wird, bis die Wirkungsrichtung des eine Folgedehnung darstellenden Dehnungszuwachses durch den Null-Punkt des Dehnungsdiagramms verläuft, wobei der neue Vor-Dehnungspunkt auf der (φ_v-Isolinie ermittelt wird, auf dessen Grundlage die die Vordehnung und die Folgedehnung darstellenden Dehnungen bis zur 0-FLC akkumuliert und der Versagenspunkt des metallischen Blechwerkstoffes des Bauteils vorausbestimmt wird.
Für den mindestens einen metallischen Blechwerkstoff können an zuvor zugeschnittenen Blechproben Versagenspunkte ermittelt, indem Umformprozesse bis zum Riss durchgeführt werden.
Bevorzugt finden als metallischer Blechwerkstoff Stahl, Aluminium, Magnesium oder Titan Verwendung.
Vorzugsweise wird das Bauteil aus dem metallischen Blechwerkstoff mittels Simulation analysiert oder aus dem metallischen Blechwerkstoff real hergestellt.
Bevorzugt werden für den mindestens einen metallischen Blechwerkstoff an den zuvor zugeschnittenen Blechproben die Umformprozesse bis zum Riss mittels an sich bekannter Nakajima-Tests durchgeführt.
Ein nichtlinearer Dehnpfad kann aufgenommen und in dem Dehnungsdiagramm entsprechend visuell dargestellt werden, wobei je nach Richtung der Folgedehnung der Ausgangspunkt der Folgedehnung an einer anderen Stelle der φ_v-Isoline startet.
Weiterhin kann diejenige φ_v-Isolinie, die die 0-FLC tangiert, als weitere Grenzdehnungsänderungskurve eingesetzt werden, wobei ein Vordehnungszustand mit dem entsprechenden Vergleichswert in Richtung des ebenen Verzerrungszustandes praktisch keine Umformreserve mehr aufweist.
Erfindungsgemäß kann das Verfahren nach Patentanspruch 1 Verwendung finden zur Ermittlung von Folge-FLCs aus der 0-FLC und/oder der 0-FLC aus einer Folge-FLC zur Prüfung der Plausibilität gemessener FLCs.
Die Aufgabe der Erfindung wird zudem gelöst durch ein Programm, das direkt in den internen Speicher eines Computers geladen werden kann und Softwareabschnitte umfasst, mit denen ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen ist, wenn das Programm auf einem Computer läuft.
Ebenso wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Programm, das dazu geeignet ist, einen Computer zur Ausführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 zu bringen, sowie durch eine Vorrichtung, eingerichtet, ausgelegt, konstruiert und/oder ausgerüstet mit einer Software zum Durchführen eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 7.
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß auch gelöst durch ein computerlesbares Medium mit darauf gespeicherten computerimplementierten Instruktionen, die geeignet sind einen Prozessor zu veranlassen, folgende aufeinanderfolgende Verfahrensstufen auszuführen:
Simulation des Umformprozesses: zeitlich und örtlich veränderliche Dehnungstensoren ε(x,y,z,t).
Post-Processing: Ermittlung der planaren Hauptformänderungen (φ₁(x,y,z,t) und φ₂(x,y,z,t) aus den Dehnungen ε(x,y,z,t).
Aufbereitung neuer Daten: Ermittlung der Ersatzdehnpfade aus den planaren Hauptformänderungspfaden.
Absicherung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, indem mindestens ein nichtlinearer Dehnpfad in dem Dehnungsdiagramm aufgenommen wird, wobei ein Dehnungsabschnitt des nichtlinearen Dehnpfades, der eine einen aktuellen Dehnungszuwachs bildende Vordehnung darstellt, in dem Dehnungsdiagramm entlang der Vergleichsellipse verschoben wird, bis die Wirkungsrichtung des eine Folgedehnung darstellenden Dehnungszuwachses durch den Null-Punkt des Dehnungsdiagramms verläuft, wobei der neue Vor-Dehnungspunkt ermittelt wird, auf dessen Grundlage die die Vordehnung und die Folgedehnung darstellenden Dehnungen bis zur 0-FLC akkumuliert und der Versagenspunkt des metallischen Blechwerkstoffes des Bauteils vorausbestimmt wird, und Darstellung der Endpunkte der Ersatzdehnpfade im Bewertungsdiagramm (Grenzformänderungsdiagramm FLD) und Vergleich mit FLC.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine genauere Prognostizierung eines Werkstoffversagens und damit eine effektivere Ausnutzung des Umformvermögens. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Erkenntnis von Müschenborn und Sonne, dass von der Vordehnung nur der Vergleichswert, nicht aber das Dehnungsverhältnis die Folgedehnpfade beeinflusst, sozusagen zum Linearisieren der nichtlinearen Dehnpfade genutzt. Dazu werden die einzelnen Dehnpfade längs der (φ_v-Isolinie so verschoben, dass sich der dabei neu ergebene Vordehnpfad und der Folgedehnpfad auf einer Gerade liegen bzw. das gleiche Formänderungsverhältnis β = φ₂/φ₁ aufweisen. Die so erzeugten linearen Ersatzdehnpfade, die mit den ursprünglich nichtlinearen Dehnpfaden bezüglich des Versagens äquivalent sind, können nun nur mittels der 0-FLC bewertet werden. Die Ermittlung von Folge-FLCs wie beim Stand der Technik ist somit nicht mehr erforderlich.
Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass sich ein allgemeiner Dehnungszustand vor dem Versagen häufig in einen ebenen Verzerrungszustand (φ₂ = 0) dreht. Das erfindungsgemäße Verfahren zur örtlichen Auswertung nichtlinearer Dehnpfade und ihrer zugehörigen Grenzdehnung mindestens eines durch einen Umformprozess umgeformte metallischen Blechwerkstoffes mittels mindestens einer Grenzformkurve legt es daher nahe, als weitere Grenzdehnungsänderungskurve die (φ_v-Isolinie einzusetzen, die die 0-FLC tangiert. Ein Vordehnungszustand mit dem entsprechenden Vergleichswert hat in Richtung des ebenen Verzerrungszustandes keine nennenswerte Umformreserve mehr.
Auch lässt sich aus der Müschenborn-Sonne-Erkenntnis, wonach eine Folge-FLC bzw. die bei ihrer Ermittlung aufgenommenen Dehnpfade im Wesentlichen nur von der Vergleichsvordehnung abhängen, die Möglichkeit ableiten, aus der 0-FLC Folge-FLCs und aus einer Folge-FLC die 0-FLC zu ermitteln. Auf diese Weise ist es möglich, die Plausibilität gemessener FLCs zu prüfen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht stets die Berechnung eines neuen Ersatzdehnpunktes, der die gesamte Umformgeschichte beinhaltet. Es müssen daher keine weiteren Informationen bestimmt bzw. abgelegt werden.
In den Zeichnungen sind zum Stand der Technik:

1 ein entsprechend dem Stand der Technik auf experimentellen Messungen des IFU Stuttgart basierendes Grenzdehnungsänderungsdiagramm, aus dem die Standard-FLC nebst Sicherheitsabständen sowie Versagenspunkte nichtlinearer Dehnpfade bei dem Werkstoff DX54D hervorgehen,
2 ein gemäß dem Stand der Technik prinzipielles Formänderungsdiagramm mit φ₂ über φ_1, aus dem rechtsseitig Vordehnung und Folgedehnungen und in der Mitte sowie linksseitig Verschiebungen und Folgedehnungen längs der (φ_v-Isolinie hervorgehen, Die Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf nachfolgende Figuren der Zeichnungen kurz beschrieben: Diese sind:
3 ein Ablaufdiagramm der aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 ein prinzipielles Formänderungsdiagramm, aus dem das Substituieren nichtlinearer Dehnpfade durch versagungsbezüglich äquivalente lineare Dehnpfade hervorgeht,
5 ein weiteres prinzipielles Formänderungsdiagramm, das die φ_v-Isolinie mit maximaler Vergleichsdehnung unterhalb der 0-FLC als Grenzdehnungsänderungskurve für Vordehnungszustände zeigt,
Fig. 6a und 6b jeweils ein prinzipielles Formänderungsdiagramm, wobei in Gegenüberstellung aus 6a gemessene Dehnpfade und aus 6b versagungsmäßig äquivalente Ersatzdehnpfade hervorgehen,
Fig. 7a - 7c jeweils ein Grenzformänderungsdiagramm bezüglich des Werkstoffes DP600, wobei aus den 7a und 7b der Dehnungsvergleich beim Werkstoff DP600 der gemessenen Dehnungen (7a) und der Ersatzdehnungen (7b) sowie aus 7c die „Bewegung“ von den gemessenen Dehnungen zu Ersatzdehnungen beim Werkstoff DP600 ablesbar sind.
8a und 8b jeweils ein Grenzformänderungsdiagramm bezüglich des Werkstoffes AC170, wobei aus den 8a und 8b der Dehnungsvergleich beim Werkstoff AC170 der gemessenen Dehnungen (8a) und der Ersatzdehnungen (8b) ersichtlich ist,
Fig. 9a - 9c jeweils ein Grenzformänderungsdiagramm bezüglich des Werkstoffes DX54D, wobei aus den 9a und 9b der Dehnungsvergleich beim Werkstoff DX54D der gemessenen Dehnungen (9a) und der Ersatzdehnungen (9b) sowie aus 9c die „Bewegung“ von den gemessenen Dehnungen zu Ersatzdehnungen beim Werkstoff DX54D ablesbar sind, und
Fig. 10a und 10b prinzipielle Darstellungen bezüglich der Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf komplexe Dehnpfade, wobei die Überführung von physikalischen Dehnungen auf experimentellen Versuchen oder auf der Basis von Simulation (10a) in Bezug auf das Versagen äquivalenter Ersatzdehnungen (10b) ersichtlich ist.
11 ein Ablaufdiagramm der von einem Prozessor veranlassten Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens basierend auf computerimplementierten Instruktionen, die auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun unter Bezug auf die 3 bis 11 erläutert:
Aus 3 geht ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens hervor, wobei die einzelnen Blöcke I. bis IV. des Ablaufdiagramms die folgenden aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte beinhalten:

Block I. Für ein Bauteil aus dem mindestens einen metallischen Blechwerkstoff werden an ausgewählten Bauteilpunkten die nichtlinearen Dehnpfade, die sich über den Umformprozess einstellen, mittels eines Umformsimulationsprogramms ermittelt und in einem Dehnungsdiagramm visuell dargestellt, indem die zwei Inplane- Hauptdehnungen, aus denen sich die dritte Hauptdehnung ergibt, in das Dehnungsdiagramm eingetragen werden.
Block II. In dem Dehnungsdiagramm wird durch die experimentell ermittelten Versagenspunkte des metallischen Blechwerkstoffs hindurch als Grenzformänderungskurve die 0-FLC-Kurve gelegt, die das Material des metallischen Blechwerkstoffes charakterisiert.
Block III. Für jeden Punkt innerhalb des Dehnungsdiagramms wird eine zugehörige charakterisierende Vergleichsdehnungsellipse als φ_v-isoline angegeben, die ebenfalls in dem Dehnungsdiagramm dargestellt wird.
Block IV. Mindestens ein nichtlinearer Dehnpfad wird in dem Dehnungsdiagramm aufgenommen, wobei ein Dehnungsabschnitt des nichtlinearen Dehnpfades, der eine einen aktuellen Dehnungszuwachs bildende Vordehnung darstellt, in dem Dehnungsdiagramm entlang der Vergleichsellipse verschoben wird, bis die Wirkungsrichtung des eine Folgedehnung darstellenden Dehnungszuwachses durch den Null-Punkt des Dehnungsdiagramms verläuft, wobei der neue Vor-Dehnungspunkt ermittelt wird, auf dessen Grundlage die die Vordehnung und die Folgedehnung darstellenden Dehnungen bis zur 0-FLC akkumuliert und der Versagenspunkt des metallischen Blechwerkstoffes des Bauteils vorausbestimmt wird.

Wie in 4 nachzuvollziehen ist, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die 0-FLC belassen wie sie ist, und die Dehnpfade b₁ und c₁ werden längs der (φ_v-Isolinie so verschoben, dass sich der dabei jeweils ergebene Vordehnpfad b₂ bzw. c₂ und der jeweils zugeordnete Folgedehnpfad e bzw. f auf einer Gerade liegen bzw. das gleiche Formänderungsverhältnis β = φ₂/φ₁ aufweisen. Die so erzeugten linearen Ersatzdehnpfade b₂ / e und c₂/f, die mit den ursprünglichen nichtlinearen Dehnpfaden bezüglich des Versagen äquivalent sind, können nun mittels der 0-FLC bewertet werden. Entsprechendes gilt für den erzeugten linearen Ersatzdehnpfad a₂/d in 4, bei dem der Dehnungspunkt der Folgedehnung d sich geradlinig bis zu 0-FLC unter Bildung eines biaxialen Dehnungszustandes mit φ₁ = φ₂ weiterbewegt hat. 4 belegt, dass sich beim erfindungsgemäßen Verfahren die Ermittlung von Folge-FLCs erübrigt.
Da, wie bereits oben erwähnt ist, experimentelle Untersuchungen zeigen, dass sich ein allgemeiner Dehnungszustand vor dem Versagen häufig in einen ebenen Verzerrungszustand (φ₂=0) dreht, kann, wie 5 zeigt, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren diejenige (φ_v-Isolinie die die 0-FLC gerade tangiert, als weitere Grenzdehnungsänderungskurve eingesetzt werden. Ein Vordehnungszustand mit dem entsprechenden Vergleichswert hat dann in Richtung des ebenen Verzerrungszustandes praktisch keine Umformreserve mehr.
Die 6a und 6b sowie 7a - 7c beinhalten experimentelle Daten, durch die das erfindungsgemäße Verfahren auf der Basis der von am IFU der Universität Stuttgart vermessenen Materialien AC170, DP600 und DX54D abgesichert ist. So sind in den 6a und 6b in Form von prinzipiellen Darstellungen die an diesen Werkstoffen gemessenen Dehnpfade (6a) sowie die bezüglich des Versagens äquivalenten Ersatzdehnpfade (6b) einander gegenübergestellt.
In den 7a und 7b sind im Dehnungsvergleich beim Werkstoff DP600 die Versagungsdehnungen, und zwar gemessene Dehnungen (7a) und Ersatzdehnungen (7b) dargestellt, die in Nakajima-Versuchen für die Bestimmung der Folge-FLCs ermittelt worden sind. In dem jeweils in 7a wie 7b rechts angeordneten Kasten sind die entsprechenden Kennzeichnungen angegeben, wobei durch BXP und UPX die Vordehnungszustände mit biaxialem und uniaxialem Spanungszustand sowie durch PPX ein Plain-Strain-Zustand (ebener Vordehnungszustand mit φ₂ = 0) gekennzeichnet sind. Die jeweils an die Buchstaben-Kennung anschließende Zahl gibt die Größe der Vergleichsvordehnung in % an. Zu jeder Vordehnung gehören sieben Versagenspunkte, die die Folge-FLC repräsentieren. Erkennbar ist, dass sich mehrere gemessene Versagenspunkte unterhalb der FLC befinden. Besonders problematisch sind dabei die Punkte, deren Abstand von der FLC größer als der durch die strich-punktierte Linie gekennzeichnete Sicherheitsabstand ist. Ein signifikanter Anteil dieser Punkte liegt nach der sog. „Linearisierung“ an der oder oberhalb der FLC und kann somit unmittelbar als Versagenspunkt erkannt werden. Beim Werkstoff DP600 liegen jedoch einige Punkte im Plain-Strain-Bereich unterhalb der FLC. Die Ursachen hierfür sind offensichtlich Messungenauigkeiten und Materialschwankungen.
In 7c ist die Umrechnung der gemessenen Dehnungen in Ersatzdehnung als Bewegung von den gemessenen zu den Ersatzdehnungen beim Werkstoff DP600 dargestellt, wobei eine Beschränkung auf die Punkte mit BXP 15-Vordehnung (biaxiale Vorspannung mit einer Vergleichsvordehnung von 15%) und mit UPX20-Vordehnung (uniaxiale Vorspannung mit einer Vordehnung von 20%) vorgenommen ist. Mit 1 (uniaxial) und 7 (biaxial) sind die Stützpunkte der Folge-FLC gekennzeichnet. Aus 7c ist ersichtlich, dass im Wesentlichen eine „Bewegung“ der Versagenspunkte oberhalb und unterhalb der FLC auf diese zu gegeben ist.
Analog zu den 7a und 7b sind in den 8a und 8b im Dehnungsvergleich beim Werkstoff AC170 die Versagungsdehnungen, und zwar gemessene Dehnungen (8a) und Ersatzdehnungen (8b) dargestellt, die in Nakajima-Versuchen für die Bestimmung der Folge-FLCs ermittelt worden sind. In dem jeweils in 8a wie 8b rechts angeordneten Kasten sind die entsprechenden Kennzeichnungen angegeben, wobei durch BXP und UPX die Vordehnungszustände mit biaxialem und uniaxialem Spanungszustand sowie durch PPX ein Plain-Strain-Zustand (ebener Vordehnungszustand mit φ₂ = 0) gekennzeichnet sind. Die jeweils an die Buchstaben-Kennung anschließende Zahl gibt auch hier die Größe der Vergleichsvordehnung in % an. Zu jeder Vordehnung gehören bis zu sieben Versagenspunkte, die die Folge-FLC repräsentieren. Die Absicherung gegen Versagenspunkte gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erweist sich beim Werkstoff AC170 nahezu als perfekt. Wie aus 8b ersichtlich ist, liegt nur ein Ersatzdehnungszustand deutlich unterhalb der FLC.
Weiterhin sind ebenfalls analog zu den 7a und 7b in den 9a und 9b im Dehnungsvergleich beim Werkstoff DX54D die Versagungsdehnungen, und zwar gemessene Dehnungen (89a) und Ersatzdehnungen (9b) dargestellt, die in Nakajima-Versuchen für die Bestimmung der Folge-FLCs ermittelt worden sind. In dem jeweils in 9a wie 9b rechts angeordneten Kasten sind die entsprechenden Kennzeichnungen angegeben, wobei durch BXP und UPX die Vordehnungszustände mit biaxialem und uniaxialem Spanungszustand sowie durch PPX ein Plain-Strain-Zustand (ebener Vordehnungszustand mit φ₂ = 0) gekennzeichnet sind. Die jeweils an die Buchstaben-Kennung anschließende Zahl gibt auch hier die Größe der Vergleichsdehnung in % an.
Ferner ist analog zu 7c in 9c die Umrechnung der gemessenen Dehnungen in Ersatzdehnungen als Bewegung von den gemessenen zu den Ersatzdehnungen beim Werkstoff DX54D dargestellt, wobei eine Beschränkung auf die Punkte mit BXP15-Vordehnung (biaxiale Vorspannung mit einer Vergleichsdehnung von 15%) und mit UPX15-Vordehnung (uniaxiale Vorspannung mit einer Vordehnung von 15%) vorgenommen ist. Mit 1 (uniaxial) und 7 (biaxial) sind die Stützpunkte der Folge-FLC gekennzeichnet. Auch beim Werkstoff DX54D überzeugt die erfindungsgemäße Absicherung gegen Versagung mittels Standard-FLC auf der Basis der Ersatzdehnungen.
Die in den 7b, 7c, 8b, 9b und 9c jeweils dargestellte Ersatzdehnungsberechnung basiert hier auf der Vergleichsdehnung von Mises.
Schließlich demonstrieren die 10a und 10b die prinzipielle Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf komplexe Dehnpfade, wobei die Überführung der physikalischen Dehnungen aus Experiment oder Simulation (9a) bezüglich des Versagens äquivalenter Ersatzdehnungen (9b) deutlich gemacht ist. Die erste physikalische Dehnung und die erste Ersatzdehnung sind identisch. Die weiteren Ersatzdehnungen ergeben sich sukzessiv dadurch, dass durch die vorherige Ersatzdehnung die φ_v-Iolinie gelegt wird und längs der (φ_v-Isolinie der Zuwachs der physikalischen Dehnung verschoben wird, bis die Verlängerung des Zuwachses durch den Nullpunkt verläuft (vgl. 6b). Der Vergleichswert der φ_v-Isolinie ergibt sich als Akkumulation der Vergleichsdehnungen aus den physikalischen Dehnungszuwächsen.
Die nachfolgenden Blöcke V.-VIII. des in 11 gezeigten Ablaufdiagramms repräsentieren aufeinanderfolgende Verfahrensstufen, die von einem Prozessor auf der Basis von computerimplementierten Instruktionen ausgeführt werden, die auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sind:

Block V: Simulation des Umformprozesses: zeitlich und örtlich veränderliche Dehnungstensoren ε(x,y,z,t).
Block VI: Post-Processing: Ermittlung der planaren Hauptformänderungen φ₁(x,y,z,t) und φ₂(x,y,z,t) aus den Dehnungen ε(x,y,z,t).
Block VII: Aufbereitung neuer Daten: Ermittlung der Ersatzdehnpfade aus den planaren Hauptformänderungen.
Block VIII: Absicherung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend Block IV in der 3: Darstellung der Endpunkte der Ersatzdehnpfade im Bewertungsdiagramm (Grenzformänderungsdiagramm FLD) und Vergleich mit FLC.

Es versteht sich, das die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht beschränkt sind auf die speziellen Strukturen, Verfahrensschritte oder Materialien, die hier offenbart sind, sondern auf deren Äquivalente ausgedehnt werden können, wie es für einen Durchschnittsfachmann auf den relevanten Gebieten erkennbar ist. Es versteht sich, dass die hier benutzte Terminologie lediglich zum Beschreiben bestimmter Ausführungsformen verwendet wird und nicht als beschränkend auszulegen ist. Die beschriebenen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften können in jeder geeigneten Weise in einer oder mehreren Ausführungsformen kombiniert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1983455 A2 [0002, 0008]

Claims

Verfahren zur örtlichen Auswertung nichtlinearer Dehnpfade und ihrer zugehörigen Grenzdehnungen mindestens eines durch einen Umformprozess umgeformten metallischen Blechwerkstoffes mittels einer Grenzformänderungskurve (0-FLC), wobei für ein Bauteil aus dem mindestens einen metallischen Blechwerkstoff an ausgewählten Bauteilpunkten die nichtlinearen Dehnpfade, die sich über den Umformprozess einstellen, mittels eines Umformsimulationsprogramms ermittelt und in einem Dehnungsdiagramm visuell dargestellt werden, indem die zwei Inplane-Hauptdehnungen (φ₁, φ₂) aus denen sich die dritte Hauptdehnung ergibt, in das Dehnungsdiagramm eingetragen werden, in dem Dehnungsdiagramm durch die experimentell ermittelten Versagenspunkte des metallischen Blechwerkstoffs hindurch die Grenzformänderungskurve (0-FLC) gelegt wird, die das Material des metallischen Blechwerkstoffes charakterisiert, für jeden Punkt innerhalb des Dehnungsdiagramms eine zugehörige charakterisierende Vergleichsdehnungsellipse als (φ_v-Isoline angegeben wird, die ebenfalls in dem Dehnungsdiagramm dargestellt wird, mindestens ein nichtlinearer Dehnpfad in dem Dehnungsdiagramm aufgenommen wird, wobei ein Dehnungsabschnitt des nichtlinearen Dehnpfades, der eine einen aktuellen Dehnungszuwachs bildende Vordehnung darstellt, in dem Dehnungsdiagramm entlang der (φ_v-Isolinie parallel verschoben wird, bis die Wirkungsrichtung des eine Folgedehnung darstellenden Dehnungszuwachses durch den Null-Punkt des Dehnungsdiagramms verläuft, wobei der neue Vor-Dehnungspunktauf der φ_v-Isolinie ermittelt wird, auf dessen Grundlage die die Vordehnung und die Folgedehnung darstellenden Dehnungen bis zur 0-FLC akkumuliert und der Versagenspunkt des metallischen Blechwerkstoffes des Bauteils vorausbestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den mindestens einen metallischen Blechwerkstoff an zuvor zugeschnittenen Blechproben Versagenspunkte ermittelt werden, indem Umformprozesse bis zum Riss durchgeführt werden,
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als metallischer Blechwerkstoff Stahl, Aluminium, Magnesium oder Titan verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus dem metallischen Blechwerkstoff mittels Simulation analysiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus dem metallischen Blechwerkstoff real hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein nichtlinearer Dehnpfad aufgenommen und in dem Dehnungsdiagramm entsprechend visuell dargestellt wird, wobei je nach Richtung der Folgedehnung der Ausgangspunkt der Folgedehnung an einer anderen Stelle der (φ_v-Isolinie startet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige φ_v-Isolinie, die die 0-FLC tangiert, als weitere Grenzdehnungsänderungskurve eingesetzt wird, wobei ein Vordehnungszustand mit dem entsprechenden Vergleichswert in Richtung des ebenen Verzerrungszustandes praktisch keine Umformreserve mehr aufweist.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Ermittlung von Folge-FLCs aus der 0-FLC und/oder der 0-FLC aus einer Folge-FLC zur Prüfung der Plausibilität gemessener FLCs.
Ein Programm, das direkt in den internen Speicher eines Computers geladen werden kann und Softwareabschnitte umfasst, mit denen ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen ist, wenn das Programm auf einem Computer läuft.
Ein Programm, das dazu geeignet ist, einen Computer zur Ausführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 zu bringen.
Vorrichtung, eingerichtet, ausgelegt, konstruiert und/oder ausgerüstet mit einer Software zum Durchführen eines Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 7.
Computerlesbares Medium mit darauf gespeicherten computerimplementierten Instruktionen, die geeignet sind einen Prozessor zu veranlassen, folgende aufeinanderfolgende Verfahrensstufen auszuführen: Simulation des Umformprozesses: zeitlich und örtlich veränderliche Dehnungstensoren ε(x,y,z,t), Post-Processing: Ermittlung der planaren Hauptformänderungen φ₁(x,y,z,t) und φ₂(x,y,z,t) aus den Dehnungen ε(x,y,z,t), Aufbereitung neuer Daten: Ermittlung der Ersatzdehnpfade aus den planaren Hauptformänderungspfaden, Absicherung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, indem mindestens ein nichtlinearer Dehnpfad in dem Dehnungsdiagramm aufgenommen wird, wobei ein Dehnungsabschnitt des nichtlinearen Dehnpfades, der eine einen aktuellen Dehnungszuwachs bildende Vordehnung darstellt, in dem Dehnungsdiagramm entlang der Vergleichsellipse verschoben wird, bis die Wirkungsrichtung des eine Folgedehnung darstellenden Dehnungszuwachses durch den Null-Punkt des Dehnungsdiagramms verläuft, wobei der neue Vor-Dehnungspunkt ermittelt wird, auf dessen Grundlage die die Vordehnung und die Folgedehnung darstellenden Dehnungen bis zur 0-FLC akkumuliert und der Versagenspunkt des metallischen Blechwerkstoffes des Bauteils vorausbestimmt wird, und Darstellung der Endpunkte der Ersatzdehnpfade im Bewertungsdiagramm (Grenzformänderungsdiagramm FLD) und Vergleich mit FLC.