5 Simulation
5.4 Modellerstellung in ABAQUS 6.7
5.4.2 Geometrie und Vernetzung der Blechkante des unteren Fügepartners
Experimentelle und numerische Untersuchung des Setzprozesses
von Schließringbolzen im Flugzeugbau 60 Für die verschiedenen Simulationsschritte werden jeweilige Kontakt- und Randbedingungen festgelegt, auf die im Einzelnen aber nicht weiter eingegangen wird.
Bevor ein Modell für die Berechnung fertig ist, muss eine Vernetzung erzeugt werden, das heißt, über das komplette Modell wird ein Netz gelegt, so dass alle verformbaren Einzelteile durch ein Netz abgebildet werden. Da diese Simulation als achsensymmetrisches Modell erstellt worden ist, werden CAX4R Elemente verwendet. Die ABAQUS-Bezeichnung CAX4R steht für ein 4-Knoten-Achsensymmetrie Element mit linearem Verschiebungsansatz und reduzierter Integration. Durch die Vernetzung werden die Knoten- und Elementnummern automatisch erzeugt.
Es ist wichtig, dass ein Netz „ordentlich“ aufgebaut ist, da dies ausschlaggebend für eine gute Berechnung ist. Die Berechnung ist abhängig von dem Netz, also von den Knoten und Elementen. Auch die Ergebnisse, z. B.
Spannungen und Kräfte, werden über Knoten oder Elementen ausgegeben. Auf die Vernetzung wird in den folgenden Kapiteln genauer eingegangen. Sie ist eine ingenieurmäßige „Stellschraube“, an der gedreht werden kann und muss, um zuverlässige Ergebnisse zu erreichen.
5.4.2 Geometrie und Vernetzung der Blechkante des unteren
Experimentelle und numerische Untersuchung des Setzprozesses
von Schließringbolzen im Flugzeugbau 61 Der obere Fügepartner wird leicht nach rechts weggedrückt, so dass der untere Fügepartner links übersteht und zwar um 9,19 µm. Dies ist in Abbildung 32 zu sehen.
Abbildung 31: Geometrie und Vernetzung der Fügepartner
Abbildung 32: Verhalten der Fügepartner beim Einziehvorgang
9,19 µm in X-Richtung
Experimentelle und numerische Untersuchung des Setzprozesses
von Schließringbolzen im Flugzeugbau 62 Wird der Schleißringbolzen nun weiter eingezogen, wird die markierte Ecke des unteren Bleches abgeknickt, wie in Abbildung 33 zu erkennen ist.
Abbildung 33: Abknickende Ecke beim Einziehen des Schließringbolzen
Dieses Abknicken entspricht nicht der Realität.
Im Folgenden muss also versucht werden, ein Abknicken des Elementes in STEP 2, dem Einziehvorgang, zu verhindern. Eine Möglichkeit dafür bietet eine Netzverfeinerung im Bereich der linken oberen Ecke des unteren Fügepartners.
Dazu wird das Blech in neue Partitionen unterteilt und im kritischen Bereich feiner vernetzt. Die Netzverfeinerung wird gewöhnlich in einem iterativen Prozess erzielt. Das bedeutet, man geht zunächst von einer gröberen Vernetzung aus und muss diese gegebenenfalls verfeinern, solange, bis die gewünschten Ergebnisse erzielt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Rechenaufwand mit feinerer Vernetzung ansteigt.
Abbildung 34 zeigt einen Vergleich zwischen der alten und neuen Vernetzung im Bereich der abknickenden Ecke des unteren Fügepartners.
Bei feinerer Vernetzung sind die Auswirkungen geringer, aber in Abbildung 35 ist zu erkennen, dass auch diesmal beim Einziehvorgang das äußere Element abknickt.
Experimentelle und numerische Untersuchung des Setzprozesses
von Schließringbolzen im Flugzeugbau 63 Abbildung 34: Vergleich zwischen alter (li) und neuer Vernetzung (re) im kritischen Bereich des unteren Fügepartners
Abbildung 35: Einziehvorgang bei neuer Vernetzung der kritischen Ecke
Eine Netzverfeinerung ist zudem kritisch zu beurteilen in Bezug auf eine einfache Handhabung des Simulationstools. Durch die Erzeugung neuer Knoten und Elemente wird nämlich eine automatische Netzgenerierung durch ABAQUS erschwert. So lässt sich später im Falle einer Parameteränderung, z. B. der Blechdicke, die Neuvernetzung nicht so leicht anpassen, sondern muss aufwendig „per Hand“ von Fall zu Fall neu generiert werden.
Experimentelle und numerische Untersuchung des Setzprozesses
von Schließringbolzen im Flugzeugbau 64 Im Folgenden wird versucht, eine Übergangsfase am unteren Fügepartner konstruktiv in ABAQUS zu realisieren. Die Konstruktion der Übergangsfase ist in Abbildung 36 dargestellt. Gewählt wird ein Übergangsradius von 0,05 mm.
Abbildung 36: Konstruktion und neue Vernetzung der Übergangsfase
Nach der Realisierung ergibt sich folgende Situation beim Einziehvorgang, der in Abbildung 37 an vier verschiedenen Zeitpunkten festgehalten wurde.
Step Time: 3,4e-2 Step Time: 3,6e-2
Step Time: 3,7e-2 Step Time: 4,3e-2
Abbildung 37: Einziehvorgang für vier ausgewählte Zeitpunkte
Experimentelle und numerische Untersuchung des Setzprozesses
von Schließringbolzen im Flugzeugbau 65 Es wird deutlich, dass beim Einziehvorgang zum Zeitpunkt 0,036 s, wo erstmals Kontakt zwischen Schließringbolzen und unterem Fügepartner auftritt, kein Abknicken eines oder mehrerer Elemente zu erkennen ist. Vielmehr formt sich der Schließringbolzen in die Bohrung ein, wie es der Realität entspricht.
Abbildung 38 auf der nächsten Seite zeigt die Vergleichsspannung nach von Mises entlang der Blechkante bei den Varianten mit und ohne Fase während des Einziehvorgangs.
Es wird deutlich, dass die Vergleichsspannung mit bis zu 450 MPa in den ersten Elementen bei der Variante mit Fase höher liegt als bei der Variante ohne Fase, wo knapp 350 MPa erreicht werden. Dafür ist im weiteren Verlauf zu erkennen, dass die Vergleichsspannung bei der Variante mit Fase ab einer Distanz von ca. 0,7 mm zunächst stark abfällt, dann wieder ansteigt, aber im weiteren Verlauf immer niedriger ist als bei der Variante ohne Fase. Ab einer Distanz von ca. 0,7 mm ändert sich bei der Variante mit Fase die Vernetzung, es tritt ein Netzsprung auf, was auf den plötzlichen Spannungsabfall schließen könnte.
Experimentelle und numerische Untersuchung des Setzprozesses
von Schließringbolzen im Flugzeugbau 66 Abbildung 38: Vergleichsspannung nach von Mises entlang der linken
Blechkante des unteren Fügepartners mit „harter“ und „weicher“ Ecke
Experimentelle und numerische Untersuchung des Setzprozesses
von Schließringbolzen im Flugzeugbau 67 Die Auswertung der Radialspannungen entlang des gleichen Auswerteweges zeigt einen qualitativ ähnlichen Verlauf, jedoch um einige Millimeter verschoben. Zudem fallen die maximal auftretenden Radialspannungen bei der Variante mit Fase etwas geringer aus als bei der Variante ohne Fase.
Bei der alten Geometrie verlaufen die Radialspannungen bis zum Abknicken des Elements sogar konstant und fallen dann sprunghaft auf den maximalen Wert ab. Dies ist bei der neuen Geometrie nicht der Fall. Hier sind kleine Schwingungen der Radialspannungen zwischen 100 MPa und –100 MPa im Bereich der Fase auszumachen.
Abbildung 39: Radialspannung entlang der linken Blechkante des unteren Fügepartners „mit“ und „ohne“ Fase
Eine Untersuchung des Kraft-Weg-Verlaufs während des STEP 2, dem Einziehvorgang, verdeutlicht, dass nach 1,3 mm Einziehweg bei der Variation mit Fase eine Kraft von ca. 3300 N an der Klemmbacke erreicht wird, Diagramm 9.
Experimentelle und numerische Untersuchung des Setzprozesses
von Schließringbolzen im Flugzeugbau 68 0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0
Weg in mm
Kraft in N
Mit Fase Ohne Fase
Diagramm 9: Kraft-Weg-Verlauf für Variation „mit“ und „ohne“ Fase beim Einziehvorgang (STEP 2)
Nach einem Weg von ca. 1,3 mm treten nämlich der Schließringbolzen und die abgenickte Blechkante in Kontakt miteinander. Auch am Ende des Einziehvorgangs wird eine Kraft von über 6000 N an der Klemmbacke erreicht.
Durch die Realisierung der Fase konnten diese beiden Kraftspitzen ganz ausgeschaltet werden. Die Fase scheint jedoch keinen großen Einfluss auf den Umformprozess an sich zu haben, wie Diagramm 10 beweist. Lediglich zu Beginn des Umformens ist die Kraft an der Klemmbacke bei der Variante ohne Fase deutlich höher als bei der Variante mit Fase. Dies hängt damit zusammen, das der Einziehvorgang mit dieser erhöhten Kraft endet.
Experimentelle und numerische Untersuchung des Setzprozesses
von Schließringbolzen im Flugzeugbau 69 0
2000 4000 6000 8000 10000 12000
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0
Weg in mm
Kraft in N
ohne Fase mit Fase
Diagramm 10: Kraft-Weg-Verlauf für Variation „mit“ und „ohne“ Fase beim Umformvorgang (STEP 3)
Wichtiges Ergebnis dieser Untersuchung ist also, dass der Einziehvorgang realistischer gestaltet wurde, ohne dass dabei kritische Veränderungen im Spannungsverlauf an dem Schließringbolzen während des Einziehvorgangs und der Umformung stattfinden.