Improved FEA of deep drawing at elevated temperatures of magnesium sheet materials based on a realistic modelling of their formability at process conditions
Final Report Abstract
Im Rahmen des Vorhabens wurden Ansätze zur genaueren Beschreibung des plastischen Stoffflusses und des Formänderungsvermögens von Magnesiumlegierungen in Abhängigkeit der Umformtemperatur untersucht. Die Untersuchungen wurden mit der Magnesiumlegierung AZ31B der Firma Posco von 2,0 nomineller Blechstärke durchgeführt. Zur Beschreibung des elasto-plastischen Materialverhaltens in Abhängigkeit der Umformtemperatur von Magnesiumlegierungen wurde die Fließbedingung CPB06 nach Cazacu et al. als geeignet identifiziert, die eine vom Spannungszustand abhängige Asymmetrie des Fließortes berücksichtigt, welche Magnesiumwerkstoffe aufweisen. Zur Parametrisierung von CPB06 wurde im Rahmen des Projektes für einen Blechwerkstoff Versuche bei unterschiedlichen Spannungszuständen durchgeführt. Zur Auslegung von Blechumformprozessen mit Hilfe der FE-Simulation ist ebenfalls die Beschreibung des Formänderungsvermögens von Bedeutung. Da konventionelle Grenzformänderungskurven (FLC) für Scherspannungen und nichtlineare Dehnpfade nicht definiert sind, ist deren Anwendung mit Unsicherheiten verbunden, was anhand des vorangehenden Projektes bereits für eine Magnesiumlegierung nachgewiesen werden konnte. Folglich wurde alternativ im Rahmen dieses Projektes erstmalig ein spannungsbasiertes Schädigungsmodell in Abhängigkeit der Temperatur für eine Magnesiumlegierung parametrisiert und angewendet. Zur Beschreibung spannungsbasierter Schädigungsmodelle ist die Verwendung von Versuchen in einem weiten Spannungsbereich notwendig. Bisher sind diese Versuche und die Auswertungsmethoden nicht standardisiert. Es wurde eine Möglichkeit aufgezeigt mit Hilfe einer Butterfly-Probengeometrie das Formänderungsvermögen für relevante Spannungszustände und Umformtemperaturen zu beschreiben. Für die Versuchsdurchführung wurde ein bestehendes Versuchskonzept, um eine Temperierungslösung weiterentwickelt, die es ermöglicht Butterfly-Versuche bei relevanten Umformtemperaturen effizient durchzuführen. Die Versuchsvorrichtung ermöglicht eine schnelle Temperierung der Probe und eine Veränderung der Probenausrichtung zur Zugkraft, wodurch in der Probe Spannungszustände zwischen uniaxialem Zug und Scherung variiert werden können. Auf Basis eines experimentell-numerischen Auswertungsansatzes wurden mit Hilfe dieser Versuche geeignete Kennwerte zur Parametrisierung eines spannungsbasierten Schädigungsmodells in Abhängigkeit der Umformtemperatur ermittelt. Anschließend wurde das modifizierte Mohr-Coulomb (MMC) Schädigungsmodell parametrisiert. Zur Gegenüberstellung wurde ebenfalls das Formänderungsvermögen der Magnesiumlegierung anhand des konventionellen Ansatzes in Form von FLC für die betrachteten Umformtemperaturen experimentell ermittelt. Zur Prüfung der Genauigkeit der beiden Ansätze wurden Tiefziehversuchen experimentell durchgeführt und numerisch nachgebildet. Hierbei wurden rechteckige Näpfe für zwei unterschiedliche Ziehringausführungen unter Variation der Umformtemperatur und der Niederhalterkraft gefertigt. Im Rahmen der Bauteilanalyse konnte im Vergleich mit den numerischen Ergebnissen festgestellt werden, dass das MMC-Schädigungsmodell durchgehend das Versagensverhalten mit einer höheren Genauigkeit als eine FLC abbilden konnte. Sowohl hinsichtlich des Zeitpunkts als auch des Ortes konnte das Bauteilversagen mit Hilfe des MMC-Schädigungsmodell zufriedenstellend vorhergesagt werden. Durch die aufgezeigten und entwickelten Ansätze zur Charakterisierung des Fließverhaltens sowie des Umformvermögens konnte im Rahmen des Projektes ein Mehrwert hinsichtlich des bestehenden grundlegenden Wissens zur Auslegung von Blechumformprozessen mit Magnesiumlegierungen bei relevanten Umformtemperaturen aufgezeigt werden.
Publications
- (2017): Experimental Characterization and Material Modelling of an AZ31 Magnesium Sheet Alloy at Elevated Temperatures under Consideration of the Tension-Compression Asymmetry, Journal of Physics: Conference Series 896 (1), S. 12019
Behrens, B.-A.; Bouguecha, A.; Bonk, C.; Dykiert, M.
(See online at https://doi.org/10.1088/1742-6596/896/1/012019) - (2019): Stress-state dependent fracture characterisation and modelling of an AZ31 magnesium sheet alloy at elevated temperatures, Procedia Manufacturing, Volume 29, S. 450-457
Behrens, B.-A.; Chugreev, A.; Dykiert, M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.promfg.2019.02.161) - (2020): Fracture modelling of magnesium sheet alloy AZ31 for deep drawing processes at elevated temperatures, Procedia Manufacturing, 50, S. 739-743
Behrens, B.-A.; Wester, H.; Dykiert, M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.promfg.2020.08.133)
