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Weiterentwicklung und Nutzung von Schalenelementen für Großdeformationsprobleme bei starken Zwängungen

Weiterentwicklung und Nutzung von Schalenelementen für Großdeformationsprobleme bei starken Zwängungen
Ansprechpartner:Dipl.-Ing. Matthias Harnau
Prof. Dr.-Ing. Karl Schweizerhof
Förderung:Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Entwicklung numerisch robuster Volumen-Schalen-Elemente

Projektbeschreibung

Das Ziel des Projektes ist numerisch stabile Finite Volumen-Schalen-Elemente zu entwickeln, die eine Berechnung von Umformprozessen von geschichteten Stahlblechen ermöglichen. Es werden dabei gemischte Finite Elemente Formulierungen mit linearen und quadratischen Ansätzen eingesetzt. Die Volumen-Schalen-Elemente eignen sich hervorragend zur Simulation von Metallumformprozessen, da sie im Gegensatz zu herkömmlichen Schalenelemente aufgrund ihres dreidimensionalen Charakters auch den Spannungszustand in Dickenrichtung und die Dickenänderung der Bleche erfassen können. Außerdem können problemlos geschichtete Strukturen diskretisiert werden, so sind die Volumen-Schalen-Elemente z.B. auch für Berechnungen mit geklebten Verbundblechen einsetzbar.
Einen weiteren Schwerpunkt stellt die Implementierung einer effizienten Kontaktformulierung dar, die ebenfalls innerhalb der Simulation der Umformprozesse zur Beschreibung der starren Umformwerkzeuge benötigt wird. Hierzu sollen an die Volumen-Schalen-Elemente angepasste Oberflächen-Kontakt-Elemente entwickelt werden, mit denen der Kontakt gegen die mittels analytischer Funktionen beschriebenen starren Werkzeugoberflächen abprüfbar ist. Hierzu werden unterschiedliche Vorgehensweisen getestet. Zum einen werden Penalty oder Augmented Lagrange Verfahren eingesetzt, zum anderen wird die Kontaktbedingung mittels eines Knotensegment Algorithmus oder alternativ unter Einbeziehung der Integration über einen Fläche-zu-Fläche Kontakt erfüllt.

In der nachfolgenden Abbildung wird die Simulation des Schmiedeprozesses eines Stahlblechstreifens gezeigt. Dargestellt wird die Struktur in der unverformten und in einer verformten Konfiguration mit deren plastifizierten Bereichen. Dieses Beispiel entspricht einer Anwendung von 'Solid-Shell' Schalenelementen für Großdeformationsprobleme bei starken Zwängungen.

Weiteres Beispiel ist das Tiefziehen eines 'Topfes', Simulation mit Finiten 'Solid-Shell' Elementen. Dargestellt werden die Kontaktspannungen.