Effiziente Modellierung der Spanbildung im orthogonalen Schnitt durch Verwendung isogeometrischer Analyse und moderner Methoden der Materialcharakterisierung

Im Rahmen dieses von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projektes werden das Thema der Spanbildungssimulation und die damit erreichbare Vorhersagbarkeit von Prozessgrößen bei spanenden Fertigungsverfahren betrachtet. Die finite-elemente-basierte Spanbildungssimulation stellt heute eine häufig eingesetzte und auch in kommerziellen Simulationsumgebungen verfügbare Methode zur detaillierten Abbildung der thermomechanisch komplexen Vorgänge in der unmittelbaren Umgebung der Werkzeugschneide bei Zerspanprozessen dar. Zurzeit existieren allerdings Limitierungen für diese Methode, die es zum einen lediglich erlauben, sehr kurze Ausschnitte aus realen Zerspanprozessen abzubilden und die zum anderen zu einer stark reduzierten Validität der verwendeten Modelle vor allem in Bezug auf die quantitative Vorhersage von Prozessgrößen führen. Ein Teil dieser Limitierungen resultiert aus den zurzeit verwendeten Material- und Reibungsformulierungen. Darüber hinaus existieren klare Indizien dafür, dass die Vernetzung (Auflösung, Elementtyp, Elementdeformation und -orientierung) einen großen Einfluss auf die Ergebnisgenauigkeit und auch auf die generelle Abbildbarkeit einzelner Phänomene, wie z. B. der Bildung von Scherbändern ausübt. Diese Abhängigkeiten sollen durch den Einsatz neuartiger numerischer Methoden, nämlich der isogeometrischen Analyse (IGA) und der Raumzeit-Finite-Elemente-Methode aufgelöst bzw. mindestens stark reduziert werden.

Konkret besteht das übergeordnete wissenschaftliche Ziel des Projekts darin, eine moderne Spansimulationsumgebung basierend auf der isogeometrischen Analyse (IGA) in Verknüpfung mit der aus der Fluiddynamik bekannten Deforming-Spatial-Domain/Stabilized Space-Time- (DSD/SST)-Methode bereitzustellen und deren Effizienz und Genauigkeit, insbesondere bezüglich der Abläufe in der primären und sekundären Scherzone, aber auch in der unmittelbaren Bauteilrandzone, zu charakterisieren. Besonderes Augenmerk soll dabei auf die Verwendung moderner Methoden zur Charakterisierung der konstitutiven Materialmodelle gelegt werden, um von dieser Seite eine gute Validität der erzielten Resultate zu gewährleisten. Auf der methodischen Seite steht die Erlangung eines grundlegenden Verständnisses des Verhaltens der IGA bei der Modellierung dynamischer Kontaktprobleme unter Verwendung thermodynamisch gekoppelter Materialformulierungen im Vordergrund. Insbesondere die weitgehende Vermeidung numerisch induzierter Fehler, die bei der kontinuierlichen Neuvernetzung entstehen und damit auch eine Verbesserung der Validität der Simulationsresultate, bedeuten einen erheblichen wissenschaftlichen Fortschritt. Dieser schlägt sich unmittelbar in einer besseren Anwendbarkeit von Spanbildungssimulationen nieder.

Abb.: Split-Hopkinson-Pressure-Bar - Versuchsstand zur Gewinnung von Fließspannungsdaten unter hohen Verformungsgeschwindigkeiten

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