Symulacje AHSS dla konstrukcji motoryzacyjnych

1. Na co zwrócić uwagę w rozciąganych krawędziach AHSS

Zaczynając od problemu numer 1 podczas tworzenia symulacji formowania dla AHSS: rozciąganie krawędzi. Należy zdawać sobie sprawę z sytuacji, w których widoczne jest jednoosiowe naprężenie krawędzi.

Wykres granic formowania (FLD) nie może służyć jako przewodnik przy rozciąganiu krawędzi, ponieważ gdy testujemy materiał w laboratorium i tworzymy krzywą graniczną formowania, nie testujemy stali AHSS na krawędzi cięcia, ale pośrodku arkusza.

Nie ma również korelacji między plastycznością krawędzi a wartościami wydłużenia – więc wykres „bananowej krzywej” AHSS nie może być używany do oceny plastyczności krawędzi.

Duży wpływ na granicę ciągliwości krawędzi AHSS ma sposób zaprojektowania narzędzia tnącego. W Knowledge Service Center SSAB testujemy nasze stale motoryzacyjne AHSS Docol®, aby znaleźć optymalny luz cięcia dla każdego gatunku.

Jednak to, co jeszcze bardziej komplikuje symulacje AHSS, to fakt, że plastyczność krawędzi zmienia się podczas produkcji seryjnej z powodu zużycia narzędzia tnącego. Niektóre programy symulacyjne zaczęły uwzględniać rozciąganie krawędzi, przy czym najwyższe są domyślne wartości dla krawędzi ciętych laserowo, następnie dla krawędzi ciętych nowym stemplem, a wreszcie stemplem zużytym.

Tak więc w symulacjach AHSS zwrócono uwagę na następujące kwestie:

• Gdzie występuje rozciąganie krawędzi?
• Jak bardzo rozciągana jest krawędź?
• Z jakiego rodzaju rozciąganiem krawędzi mamy do czynienia?

2. Eksperymentalnie sprawdź naprężenie na krawędziach stali AHSS

Istnieje wiele sposobów generowania różnych zachowań AHSS i gradientów odkształceń: w płaszczyźnie blachy, w kierunku grubości, a także w zakresie wytrzymałości i koncentracji wzdłuż samej krawędzi cięcia.

Firma SSAB opracowała praktyczny test – próbę podwójnego zginania – który sprawdza maksymalny kąt gięcia stali AHSS przed wystąpieniem pękania.

Wyniki próby podwójnego zginania porównujemy z próbą rozszerzalności otworów. Mogą wystąpić ogromne różnice między próbami pod względem akceptowalnych poziomów odkształcenia. Na przykład stal 980 DP o grubości 1 mm może mieć maksymalne odkształcenie 46% w próbie rozszerzalności otworów, ale tylko 11% w próbie podwójnego zginania.

 

3. Obserwuj duże odkształcenia przechodzące przez odkształcone wcześniej obszary AHSS

Próba rozszerzalności otworów ISO 16630 sprawdzająca plastyczność krawędzi przeprowadzana jest na próbce AHSS nie poddanej wcześniej żadnym odkształceniom. W rzeczywistości często zdarza się, że arkusz AHSS narażony jest na odkształcenia przed cięciem i ostatecznym odkształceniem krawędzi cięcia. Trudno jest zaprojektować ogólny test dla takiej sytuacji, ponieważ trudno jest przeprowadzić wstępne odkształcenie dużej próbki (100 x 100 mm) dla próby rozszerzalności otworów (HER). Jak można przewidzieć właściwości stali AHSS w takiej sytuacji?

Zamiast polegać wyłącznie na teście HER, można symulować część – obserwując duże odkształcenia przechodzące przez odkształcone wcześniej obszary. W razie znalezienia takich odkształceń, masz kilka opcji. Możesz zdecydować się na zmianę materiału na gatunek AHSS o lepszej plastyczności krawędzi, aby zapewnić dodatkowy margines bezpieczeństwa. Możesz też dostosować projekt, obniżając poziom odkształcenia wstępnego. Albo też spróbuj przenieść wstępne odkształcenie w inny obszar, w którym końcowe odkształcenie części jest niższe.

4. Poproś SSAB o określenie poziomów odkształceń podczas gięcia

Wykres granic formowania (FLD) obowiązuje dla elementów, które mają takie same odkształcenia na całej grubości. Jednak w przypadku zgiętego arkusza stali AHSS, na zewnątrz występuje rozciąganie, wewnątrz ściskanie, a pośrodku neutralna, nieodkształcona warstwa. Używając widoku standardowego w symulacjach, patrzymy na warstwę neutralną.

Zamiast tego należy wziąć pod uwagę odkształcenie zewnętrznej warstwy arkusza. Jednak nie należy wówczas używać wykresu FLD do określania zniszczenia powierzchni zewnętrznej: może to prowadzić do zbyt konserwatywnego wyniku.

Jakie są więc bezpieczne poziomy podczas zginania AHSS? Poproś nas o te wartości. Na przykład przeprowadziliśmy w naszym laboratorium formowania próbę stali Docol® 1400M o grubości 2,0 mm dla klienta w Niemczech. Podczas próby otrzymaliśmy odkształcenie 18%, znacznie wyższe niż odkształcenie 10%, otrzymane na podstawie krzywej granicznej formowania dla tego materiału w stanie równomiernego odkształcenia na całej grubości (próba FLD).

5. Przy pomocy przyrostowych symulacji formowania zweryfikuj efekty przeginania

Jeśli zegniesz dowolny metal, a następnie zegniesz go z powrotem w przeciwnym kierunku i będziesz to nieustannie powtarzać, metal w końcu pęknie – uszkodzenia gromadzą się w materiale. To zachowanie nie jest przewidziane przez krzywą graniczną formowania i jest trudne do modelowania.

Mieliśmy na przykład klienta, którego symulacje nie wykazywały żadnych problemów z formowaniem AHSS – żadnych odkształceń przekraczających wartości graniczne. A mimo to podczas produkcji występowały pęknięcia! Przeprowadziliśmy więc przyrostową symulację formowania, która dostarczyła specjalną wartość wynikową zwaną „odkształceniem akumulowanym” (zob. zdjęcie).

 

6. Uważaj, aby nie uzależnić się nadmiernie od wysokich tolerancji mechanicznych stali AHSS

Czasami słyszymy argument, że niestabilność produkcji zawsze wynika ze zmienności materiału. Stałe właściwości materiałów AHSS zdecydowanie mają znaczenie, ale to nie cały obraz.

W rzeczywistości wykonujemy analizy powtarzalności, które porównują nasze gatunki stali Docol^® z ogólnymi gatunkami VDA. W jednym przypadku przyjrzeliśmy się prostemu kołnierzowi wykonanemu z wielofazowej (CP) stali AHSS 980 z tolerancją ±1° zgodnie z VDA 239. Całą analizę można zobaczyć w naszym nagranym webinarium zatytułowanym: Symulacje AHSS dla konstrukcji motoryzacyjnych: 10 najważniejszych kwestii.

Analiza wykazała, że prawdopodobieństwo wykroczenia poza zakres tolerancji tej konkretnej części, wykonanej ze stali Docol^® 980 CP, było 628 razy mniejsze niż w przypadku części wykonanej z typowej stali VDA 980 CP – ze względu na wyższe tolerancje mechaniczne materiału Docol^®.

Wysoka konsekwencja właściwości materiału jest zawsze pożądana, szczególnie w przypadku zastosowań ze stali AHSS/UHSS/gigapaskalowej, które są mocno uzależnione od niewielkich tolerancji mechanicznych. Jednak projektowanie części AHSS, uzależnionych od wysokiej tolerancji mechanicznej, jest ryzykowne. Podczas produkcji w grę wchodzi wiele innych czynników: różnorodność procesu, zużycie narzędzi, smarowanie itp.

Lubimy mówić, że najważniejszym parametrem dla wysoce powtarzalnego procesu AHSS jest solidna konstrukcja części, w pełni wykorzystująca geometrie sztywności, małe promienie, strategiczne wykorzystanie zgrubień materiału i tak dalej.

 

7. Zoptymalizuj plan formowania AHSS

Aby zoptymalizować plan formowania, należy wziąć pod uwagę wiele parametrów, w tym wykonalność, powtarzalność, dostępną prasę i zużycie narzędzia.

W naszym webinarium poświęconym symulacjom pokazujemy, jak przeprowadzić symulację tej samej części samochodowej ze stali AHSS przy użyciu trzech różnych podejść do formowania: ciągnienie + kołnierz; kołnierz + skrawanie krzywki; kołnierz z krzywkami.

W przypadku tej konkretnej konstrukcji podłużnicy, symulacja „ciągnienie + kołnierz” daje maksymalne sprężynowanie 10 mm, a poza tym wszystko wygląda dobrze. Symulacja „kołnierz + krzywka” ma maksymalne sprężynowanie 13 mm, ale występują problemy z tolerancją w promieniu wypukłej powierzchni. Symulacja „kołnierz z krzywkami” charakteryzuje się dużymi odkształceniami krawędzi i dużymi odchyleniami w dokładności kształtu ze względu na zagięte promienie.

8. Twoje symulacje marszczenia się stali mogą być zbyt konserwatywne

W przypadku części AHSS z mocno ściśniętymi kołnierzami krawędziowymi i bez możliwości użycia uchwytu trzymajacego, należy przeprowadzić symulację części, aby spróbować wykryć marszczenie. Pokazano tutaj część wykonaną ze stali AHSS o grubości 4 mm. Przeprowadziliśmy symulację tej części przy użyciu trzech różnych podejść w celu porównania z rzeczywistymi prototypami:

1. Symulacja przeprowadzona z elementami typu shell i bez kontaktu własnego dała wynik o niskiej zdolności do powrotu do pierwotnego kształtu po wystąpieniu marszczenia. Jednak w rzeczywistości po formowaniu nie występowało marszczenie.
2. Symulacja przeprowadzona z całkowicie zintegrowanymi elementami typu solid, bez kontaktu własnego. Ten wynik był bliższy rzeczywistości, ale nadal pokazywał marszczenie pozostałe po formowaniu.
3. Symulacja z elementem typu solid i kontaktem własnym. Wynik był zgodny z rzeczywistością.

W przypadku symulacji tłoczenia AHSS najczęstszym podejściem jest użycie elementu typu shell bez kontaktu własnego. W przypadku określania tendencji do marszczenia jest to bardzo konserwatywny typ elementu. Można co najmniej powiedzieć, że jeśli w symulacji z elementami shell bez kontaktu własnego nie występuje marszczenie, wówczas w rzeczywistości nie wystąpi marszczenie. Jednak, jak pokazano w tym przykładzie, podejście to może narzucać pewne ograniczenia części wykonanych ze stali AHSS, które nie występują w rzeczywistości.

9. Czy symulacja AHSS wykrywa siły reakcji blachy, które mogą prowadzić do otwarcia narzędzia?

W przypadku stosowania stali AHSS/UHSS/gigapaskalowych, siła reakcji z blachy rośnie przy użyciu uchwytów trzymających stal. Jeśli siła reakcji AHSS jest większa niż siła uchwytu, nastąpi otwarcie narzędzia. Prowadzi to do wysoce niekontrolowanego procesu: może wystąpić marszczenie i pęknięcia oraz bardzo niska korelacja między symulacją AHSS a rzeczywistością.

Sprawdź więc dokładnie, czy siły na uchwytach i podkładkach są wystarczające. Niektóre programy symulacyjne umożliwiają wykrywanie siły reakcji arkusza AHSS podczas otwierania narzędzia. Niektóre programy po cichu dodają więcej siły na uchwycie, aby utrzymać narzędzia w stanie zamkniętym – ale niezwykle ważne jest, aby sprawdzić, czy jest to wdrożone w danym oprogramowaniu symulacyjnym.

10. Weź pod uwagę odkształcenia nieliniowe

Ważne jest uwzględnienie zniszczenia nieliniowego, ponieważ krzywa graniczna formowania jest opracowywana dla liniowych ścieżek naprężenia – co oznacza, że formowanie odbywa się tylko w jeden sposób, aż do zniszczenia.

Oznacza to, że sytuacja podczas wielokrotnego formowania jednego obszaru części AHSS, jak w narzędziu do formowania wieloetapowego, nie odpowiada krzywej granicznej formowania. W rzeczywistości wynik może być lepszy lub gorszy, w zależności od ścieżki odkształcenia.

Niektóre programy symulacyjne mogą uwzględniać odkształcenia nieliniowe. Na przykład AutoForm ma nieliniowy wykres formowania, który oblicza i przekształca nieliniowe odkształcenia i mapuje je na wykres FLD. Może to być bardzo pomocne podczas formowania wieloetapowego – ale czasami nawet wtedy, gdy formowanie odbywa się jednoetapowo, jak w poniższym przykładzie.

Obraz po lewej pokazuje tradycyjny wykres granicy formowania (FLD) dla części AHSS (w tym przypadku wykonanej ze stali Docol^® 1000DP). Kolor czerwony w jednym obszarze oznacza, że odkształcenia przekraczają granicę formowania. Jednak obraz po prawej pokazuje wynik nieliniowy (przekształcony), co oznacza, że w rzeczywistości część jest w porządku.