TR73

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C7 - Verschleiß



Mechanismenbasierte Modellierung von Verschleiß in der Blechmassivumformung

Projektstatus: abgeschlossen

Letztes Update: 09.10.2020



Mitglieder


Ziel des Projekts ist eine Modellierung von Verschleiß der Werkzeugoberflächen in der Blechmassivumformung. Diese Werkzeugflächen sind teilweise für eine Optimierung des Reibverhaltens durch Mikrostrukturierung behandelt. Somit ist die Simulation des Verschleißes dieser Mikrostrukturen ein Simulationsproblem auf der Mesoskala. Die Gestalt der Mikrostrukturierung wird dabei im Modell geometrisch aufgelöst, wogegen die Oberflächenrauheit durch ein geeignetes Reibmodell repräsentiert wird.

Im Projekt werden zwei Modellierungsansätze verfolgt. Der erste Ansatz besteht aus der Nutzung des kommerziellen Finite-Elemente-Programms Abaqus zur Simulation des Kontakt- und Umformproblems. Die lokalen Oberflächentraktionen und Relativgeschwindigkeiten werden anschließend in einem Python-basierten Postprozessor ausgewertet und nach dem Archard-Modell zur Bestimmung lokaler Verschleißvolumina verwendet. Die Verschleißvolumina werden durch ein Anpassung des Oberflächen-Netzes aufgebracht und es findet eine Neuvernetzung statt. Die Simulation eines Werkzeugüberlaufs sowie die schematische Darstellung der Oberflächenanpassung sind in den nachfolgenden Abbildungen gezeigt

 

 Homepage Archard1Homepage Archard2

 

 Der zweite Ansatz dient der mechanismenbasierten Verschleißmodellierung. Die Partikel-Finite-Elemente-Methode ist dazu geeignet, ein Abtragen von Oberflächenpartikeln oder Mikrospänen zu simulieren. Dazu werden die betrachteten Werkzeuge und Werkstücke als Partikelwolken materieller Punkte aufgefasst. Es findet eine wiederholte Neuvernetzung und Formerkennung des Körpers statt. Die Finite-Elemente-Netze stellen dabei ein Mittel zur Berechnung des von der Partikelwolke repräsentierten Kontinuums dar. Geschichtsvariablen sowie die Verformungsgeschichte werden aber auf den Partikeln gespeichert. Die Formerkennung lässt zu, dass sich durch hohe lokale Verformungen neue Oberflächen bilden und Späne oder Partikel abgetrennt werden. Aufgrund des grundlegenden Eingriffs in die Finite-Elemente-Gleichungen ist eine vollständig zugängliche Implementierung notwendig und die Verwendung von kommerzieller Finite-Elemente Software ist nicht sinnvoll. Damit rückt die adäquate Kontaktsimulation in den Fokus der Modellierung, da diese die Grundlage einer robusten und genauen Simulation der Abtragvorgänge bildet. Hierbei beinhaltet die Partikel-Finite-Elemente-Methode Algorithmen, die sich auch für die Diskretisierung der Kontakt-Flächen anbieten. Der Materialabtrag selbst ist von den Parametern der Formerkennungs-Algorithmen, aber auch im Wesentlichen von den lokalen Reib- und Materialeigenschaften abhängig. Somit kann am beschriebenen Simulationsmodell der Einfluss der lokalen Mechanismen, die zu Materialabtrag führen, untersucht werden. Die folgende Abbildung zeigt die Kontaktsimulation eines über einen weichen Block gezogenen Werkzeug-Körpers sowie eine gekerbte Zugprobe, bei der die Materialtrennung durch den Formerkennungsalgorithmus initiiert wird.

Homepage PFEM1

Homepage PFEM2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung entnommen aus Schewe, Menzel, 2019, DOI: 10.1002/pamm.201900403, CC-BY 4.0.

 

 


Arbeitskreise


Veröffentlichungen

    2021

    • Schewe, M.; Wilbuer, H.; Menzel, A.: Simulation of wear and effective friction properties of microstructured surfaces . In: Wear, 464(2021), elsevier, S. 203491

    2019

    • Behrens, B.; Biermann, D.; Tillmann, W.; Krimm, R.; Meijer, A.; Schewe, M.; Stangier, D.; Commichau, O.; Müller, P.; Rosenbusch, D.; Menzel, A.: Untersuchungen strukturierter Werkzeugflächen und der Einfluss auf den Werkzeugverschleiß. In: 4. Industriekolloquium Blechmassivumformung 2019 – DFG Transregio 73, (2019), S. 7-30
    • Schewe, M.; Menzel, A.: Aspects of the Particle Finite Element Method applied to contact problems. In: Proc. Appl. Math. Mech., 19(2019)1, Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, S. e201900403

    2018

    • Schewe, M.; Menzel, A.: The Particle Finite Element Method for the modelling and simulation of solid body interactions. In: Proc. Appl. Math. Mech., 18(2018)1, Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, S. e201800110

    2017

    • Berthelsen, R.; Wilbuer, H.; Menzel, A.: Computational modelling of wear and the effective frictional behaviour of elastoplastic tools. In: Proceedings of the 7th GACM Colloquium on Computational Mechanics, 7(2017), Institute for Structural Mechanics, University of Stuttgart, http://dx.doi.org/10.18419/opus-9334, S. 786-789

    2016

    • Berthelsen, R.; Wilbuer, H.; Holtermann, R.; Menzel, A.: Computational modelling of wear – application to structured surfaces of elastoplastic tools. In: GAMM-Mitt., 39(2016)2, Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, S. 210-228

    Vorträge

      2019

      • 20.02.2019: Schewe, M.; Menzel, A.: Aspekte der Partikel Finite Elemente Methode angewendet auf Kontaktprobleme, 90th GAMM Annual Meething, Wien

      2018

      • 21.03.2018: Schewe, M.; Menzel, A.: Die Partikel-Finite-Elemente-Methode für die Modellierung und Simulation von Festkörper Interaktionen, 89th GAMM Annual Meething, München

      2016

      • 26.10.2016: Menzel, A.: Anwendung eines numerischen Verschleiß Modells auf strukturierte Oberflächen, 29th Nordic Seminar on Computational Mechanics, Chalmers University of Technology, Göteborg