| Application of a crystal plasticity based material model in forming simulation |
Schlüsselwörter:
Materialgesetz, Kristallplastizität, kubisch-raumzentrierte Kristalle, krz-Kristalle, Stahl, Pencil-Glide,Textur, Texturapproximation, Folgetexturen, Tiefziehen, Dehnungsverteilung, Rückfederung, Simulation
material law, crystal plasticity, cubic bodycentered crystals, bcc crystals, steel, pencil glide, texture, texture approximation, texture development, deep drawing, springback, simulation
Sachgruppe der DNBAbstract
The simulation of metal forming has become an important tool for the evaluation of forming processes in the automotive industry. Since the metals used in these processes are polycrystals, their macroscopic behavior the result of the complex interaction of the crystals on the micro scale. In the state of the art simulation tools these materials are described by macroscopic material laws, While these models are able to predict the strains sufficiently, the prediction of the internal stresses and therefore the springback of the part is insufficient.
In this work, a crystal plasticity based material model for body centered cubic crystals is integrated in a commercial finite element program to simulate deep drawing processes as well as the springback behavior. The model response due to cyclic loading is evaluated and improved with two approaches for an integration of kinematic hardening on the crystallite level. In order to reduce the computational effort for the springback simulation, an implicit time integration scheme is used.
An important aspect for the computational effort is the number of crystals used in the simulation. For the approximation of initial texture, a method was developed that reduces the number of crystals to fit a given texture. Different approaches to approximate an isotropic background with a low number of crystals are evaluated.
The model verification is done with a comparison of the simulation results to deep drawing and springback experiments. The results show that a low number of crystals, combined with a von-Mises-crystal as an isotropic background is able to give a good prediction of the material behavior.
Die Simulation von Umformprozessen hat eine hohe Bedeutung in der Absicherung der Herstellbarkeit von Blechbauteilen in der Automobilindustrie. Die hierzu verwendeten Werkstoffe sind polykristalliner Natur, deren makroskopisches Verhalten sehr komplex zu beschreiben ist. Derzeit werden zur Simulation von Umformprozessen standardmäßig phänomenologische Materialmodelle eingesetzt, die jedoch speziell im Bereich der Rückfederungssimulation unzureichende Ergebnisse liefern.
In dieser Arbeit wird ein kristallplastisches Materialmodell für kubisch-raumzentrierte Kristalle mit dem Ziel der Simulation von Tiefziehprozessen sowie der Rückfederung in ein kommerzielle FEM-Programm integriert. Das Verhalten des Modells bei zyklischen Belastungen wird untersucht, Ansätze zur Verbesserung der Beschreibung dieses Verhaltens durch Integration der kinematischen Verfestigung auf Kristallebene werden gegeben. Durch die Erweiterung zur impliziten Zeitintegration auf Modellebene werden die Simulationszeiten bei der Rückfederungsberechnung reduziert.
Für die notwendige Berechnungsdauer ist die Anzahl der verwendeten Kristalle von entscheidender Bedeutung. Hierzu wird eine Methode entwickelt, die eine Approximation der Anfangstextur mit einer geringen Anzahl von Kristallen ermöglicht. Zur Näherung eines isotropen Materialverhaltens werden unterschiedliche Kristallgruppen sowie das Verhalten eines von-Mises-Hintergrundes untersucht.
Anhand von Tiefziehversuchen mit einer anschließenden Untersuchung der Rückfederung wird das Modellverhalten an experimentellen Ergebnissen bewertet. Hierbei zeigt sich, dass mit einer geringen Anzahl von Kristallen und einem von-Mises-Hintergrundmodell eine gute Approximation des realen Materialverhaltens möglich ist.
| Betreuer | Bertram, Albrecht; Prof. Dr. |
| Betreuer | Krawietz, Arnold; Prof. Dr. |
| Gutachter | Böhlke, Thomas, Jun.-Prof. Dr. |
| Upload: | 2006-11-03 |
| URL of Theses: | http://diglib.uni-magdeburg.de/Dissertationen/2006/volschulze.pdf |