Projektbeschreibung

Rollformen ist ein industrielles Fertigungsverfahren, bei dem ein ursprünglich flaches Stahlblech beim Durchlaufen einer Reihe von Walzgerüsten eine zunehmende plastische Biegung erfährt. Der endgültige Profilquerschnitt wird durch irreversible plastische Biegeverformung erreicht; Membranspannungen bleiben dabei gering.

Beschreibung des implementierten Modells

Die derzeitig kommerziell verfügbaren Simulationsprogramme verwenden auf 3D-Kontinuumsselementen basierende Modelle in der materiellen bzw. Lagrange’schen Betrachtungsweise; eine etablierte, aber sehr rechenintensive Methode.

Wir bemühen uns um eine effizientere Lösung und entwickeln ein Finite-Elemente-Modell mit folgenden Merkmalen:

• die geometrisch nicht-lineare Kirchhoff-Love Schalentheorie, welche die totale Anzahl an Freiheitsgraden im Vergleich zu den 3D-Kontinuumsmodellen erheblich reduziert
• die gemischt kinematische Euler-Lagrange Betrachtungsweise, welche effizienter für Probleme mit axial bewegten Kontinua ist als die traditionelle Lagrange’sche Betrachtungsweise.

Abbildung 2: 3D-Visualisierung des Finite Elemente Simulationsmodells

Eine besondere Herausforderung liegt in der Berücksichtigung des elastisch-plastischen Materialverhaltens. Die klassische Methode zur Behandlung der Plastizität in Strukturmodellen ist die Integration über die Dicke. Hierbei wird, unter Gültigkeit der kinematischen Hypothesen der zugrundeliegenden Struktur, ein Kontinuumselement mit Integrationspunkten über der Dicke betrachtet. Die elastisch-plastischen Konstitutivgesetze des Kontinuums werden dann über die Dicke integriert. Da diese Methode jedoch sehr rechenintensiv ist, verfolgen wir die Entwicklung eines neuartigen spannungs-resultativen Plastizitätsmodells. In diesem Modell werden das Fließkriterium und seine Entwicklung durch ein Verfestigungsgesetz, das die fortschreitende Plastifizierung des Elements über die Dicke akkurat auflöst, durch Spannungsresultanten der Schale und weiteren Zustandsgrößen formuliert.

Wir validieren und überprüfen das Modell gegenüber einfachen Beispielen mit kommerzieller Software und führen ebenso einen Vergleich mit einem Kontinuum-Plastizitätsmodell durch. Die Vergleiche demonstrieren, dass es durch das vorgeschlagene Modell möglich ist, den Umformungsprozess bei deutlich reduzierten Rechenzeiten zu simulieren ohne dabei signifikant an Genauigkeit einzubüßen.

Veröffentlichungen

Kocbay, Emin, Jakob Scheidl, Fabian Schwarzinger, and Yury Vetyukov. "An enhanced stress resultant plasticity model for shell structures with application in sheet metal roll forming., öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 130, no. 1 (2024): 781-798.

J. Scheidl, "A Stationary Streamline Integration Algorithm for Elastic-Plastic Bending of an Axially Moving Beam, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster", in P. Iványi, J. Kruis, B.H.V. Topping, (Editors), "Proceedings of the Fifteenth International Conference on Computational Structures Technology", Civil-Comp Press, Edinburgh, UK, Online volume: CCC 9, Paper 6.1, 2024, doi:10.4203/ccc.9.6.1

Kocbay, Emin, Jakob Scheidl, Fabian Riegler, Martin Leonhartsberger, Matthias Lamprecht, and Yury Vetyukov. "Mixed Eulerian–Lagrangian modeling of sheet metal roll forming, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster." Thin-Walled Structures 186 (2023): 110662.

Kocbay, Emin, and Yury Vetyukov. "Stress resultant plasticity for plate bending in the context of roll forming of sheet metal, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" International Journal for Numerical Methods in Engineering 122, no. 18 (2021): 5144-5168.

Vetyukov, Yu, P. G. Gruber, M. Krommer, J. Gerstmayr, I. Gafur, and G36086201378 Winter. "Mixed Eulerian–Lagrangian description in materials processing: deformation of a metal sheet in a rolling mill, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" International Journal for Numerical Methods in Engineering 109, no. 10 (2017): 1371-1390.

Kooperationspartner

• FFG

Projektdauer

• November 2024 - Oktober 2027

Weitere Projekte

• LaLaBand
• Hot Rolling
• Crown Manager

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