Simulation von Ziehkisseneinflüssen im FEM-Prozessmodell

Laufzeit:	04/2009 – 03/2011
Finanzierung:	BMWi über die AiF, EFB
Bearbeiter:	Dr.-Ing. Lars Penter
Kooperation:	Dr.-Ing. Harald Lohse, Institut für Fluidtechnik (IFD)

Zielstellung

Ziel dieses Projektes ist es, die Teilmodelle Prozess, Ziehkissenmechanik und das reduzierte Modell der Ziehkissenhydraulik, -steuerung und -regelung in einer FEM-Umgebung zusammenzuführen und damit deren Einfluss auf die Teilequalität mittels Prozesssimulation berechnen und bewerten zu können.

Lösungsweg

Im Verlauf der Projektbearbeitung wurden die Teilmodelle der Ziehkissenmechanik erstellt, parametriert und evaluiert. Anschließend wurde ein reduziertes Signalmodell der Ziehkissenhydraulik, -steuerung und -regelung mittels eines selbstprogrammierbaren Materialmodells in eine FEM-Umgebung implementiert werden. Das reduzierte Signalmodell wird vom Projektpartner erstellt, parametriert und mit Messwerten abgeglichen. Bild 1 illustriert die Teilmodelle und stellt deren wesentliche Merkmale dar.

Bild 1: Integration der Ziehkissenhydraulik, -regelung, -steuerung

Ergebnisse

Das neue Materialmodell Hydraulik-Steuerung-Regelung (HSR-Modell) ist für diskrete Balkenelemente konzipiert. Es wurde in der Programmiersprache FORTRAN erstellt und mit dem FEM-Code LS-DYNA verschmolzen (Bild 1).

Damit ist es als eigenständiges Materialmodell in dieser FEM-Umgebung verfügbar. Die dazugehörigen Materialparameter (z. B. Kolbenflächen, Volumen, Öl-Kompressionsmodul, Reglerverstärkungen) werden über eine entsprechende Materialkarte im Pre-Prozessor definiert. Bild 2 links zeigt den Aufbau des FEM-Modells zur Evaluierung des neuen Materialmodells. Ziehring und Niederhalter sind als Starrkörper modelliert und besitzen einen Freiheitsgrad in z-Richtung. Das Blech dient zur Formulierung des Kontaktes zwischen den beiden Starrkörpern.

Bild 2: FE-Modell mit Eigenschaften der Ziehkissenhydraulik, -regelung und -steuerung (links), Niederhalterkraftverlauf für Messung und FE-Modell (rechts)

In Bild 2 rechts sind die berechneten Verläufe der Niederhalterkraft für einen Beispielhub der Pressmaschine ohne Werkstück mit einem vorgegebenen Sprung der Sollkraft von 200 kN auf 250 kN dargestellt. Die Übereinstimmung der Niederhalterkraftverläufe zeigt die Funktionsfähigkeit des in die FEM-Umgebung integrierten Modells der Zieheinrichtung.
In einem weiteren Schritt wurde das HSR-Modell in ein FEM-Tiefziehprozessmodell integriert. In Bild 3 sind die Verläufe der simulierten und gemessenen Niederhalteristkräfte sowie die Positionen des Niederhalters dargestellt. Deutlich wird, dass mit dem neuen Modell auch der Auftreffschlag des Ziehringes auf den Niederhalter und die damit verbundene Kraftüberhöhung in der Kontaktzone simuliert werden kann.