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Freitag, 17. November 2017
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Rollform-optimierte Netzanpassung mit der neuen Funktion „Advanced Restart“

Netzverfeinerung an einer Biegestelle
Netzverfeinerung an einer Biegestelle

Neu in COPRA® FEA RF

Simulationen auf Basis der Finite-Elemente-Analyse (FEA) sind schon seit langem ein etabliertes Verfahren, um Ergebnisse von geplanten Fertigungsprozessen anhand virtueller Modelle zu prognostizieren. Die Erfolgsfaktoren liegen auf der Hand: deutliche Zeit- und Kostenreduzierungen und Optimierungen in den Produktentwicklungs- und Konstruktionsprozessen. Allerdings können sich Simulationen auch durchaus zeitaufwändig gestalten.
Für eine FEA-Simulation wird das Volumen des zu simulierenden Objekts in einfache Teilgebiete, die so genannten Elemente, zerlegt. Man spricht hier von einer Vernetzung. Die Feinheit des Netzes hat maßgeblichen Einfluss auf die Genauigkeit der Ergebnisse. Da jedoch der Rechenaufwand bei der Verwendung feinerer und dichterer Netze steigt, gilt es, Verfeinerungen nur dort anzubringen, wo sich das Material verformt. Das sind üblicherweise die Biegestellen. Bei Simulationsbeginn lässt sich die korrekte Position einer Biegestelle im Allgemeinen nur schwer vorhersagen, da oft Querdehnungen, welche das Material verschieben, nicht mit der in der Konstruktion zugrunde gelegten Bandbreitenberechnung übereinstimmen. Die nachträgliche Positionsveränderung der Netzverfeinerung ist sehr zeitintensiv, da bisher nach jeder Korrektur des Netzes die Simulation von vorne gestartet werden musste.

data M bietet mit der neuen Funktion „Advanced Restart“  eine effiziente Lösung für diese Problematik. Die Funktion ermöglicht dem Anwender eine gezielte Netzanpassung, die zeitintensive korrekturbedingte Wiederholungen des Simulationsprozesses vermeidet.

Standard Netzanpassungsfunktion nicht optimal für Rollform-Simulationen

Materialverschiebung bei FEA Simulation
Materialverschiebung (Klicken zum Vergrößern)

Im Allgemeinen nutzt FEA-basierte Simulationssoftware für Netzanpassungen das sogenannte „Local Adaptive Refinement“ als Standard. Dabei handelt es sich um eine automatische Unterteilung des Netzes anhand von vordefinierten Bedingungen. Diese Bedingungen sind z.B. Grenzwerte für Dehnungen und Spannungen. Da es sich hierbei um ein sehr allgemeines Verfahren handelt, werden rollformspezifische Gegebenheiten der Simulation nicht berücksichtigt. So kann es in diesem Verfahren  vorkommen, dass z.B. Biegenstellen nicht korrekt identifiziert und entsprechend verfeinert werden.
Bei der gleichzeitigen Umformung von zwei oder mehr Biegestellen kann von vorneherein nie mit Bestimmtheit gesagt werden, wo sich die zweite bzw. die nächsten Biegestellen befinden werden. Denn auftretende Querdehnungen können die Lage der nachfolgenden Biegestellen deutlich verschieben.

Ein weiterer Nachteil des „Local Adaptive Refinement“ liegt darin, dass das Netz normalerweise in alle drei Raumrichtungen unterteilt wird, obwohl eine bzw. zwei Richtungen oft ausreichend wären. Dadurch steigt die Anzahl der Elemente exponentiell an. Hinzu kommt, dass mit dieser Methode ein durch hohe Umformgrade degeneriertes Netz qualitativ nicht mehr verbessert werden kann. Die für die Simulationsqualität schädliche Elementverzerrungen werden auf die durch die Unterteilung entstandenen Elemente übertragen, ohne dass eine Neuvernetzung stattfindet.

Die neue Funktion „Advanced Restart“ als Unterstützung zur effizienten Netzanpassung

Netzanpassung im flachen Band
Netzanpassung im flachen Band
Verifizierung der Netzanpassung im verformten Zustand. Vergleich eines repräsentativen Netzstreifens des verformten Netzes mit dem in COPRA® RF konstruierten Querschnitt

Um den Anwendern für die Simulation von Rollformprozessen eine effiziente Lösung für oben beschriebene Probleme bieten zu können, hat data M für seine FEA-Simulationssoftware „COPRA® FEA RF“ die Funktion „Advanced Restart“ entwickelt.

Die Netzanpassung mit Hilfe dieser neuen Funktion erfolgt anwenderfreundlich in drei Schritten:

  1. Die Simulation wird angehalten bevor das Material in die Station einläuft. Dies hat zur Folge, dass die entsprechenden Verfeinerungen bereits vor den in dieser Station auftretenden Verformungen in das Netz eingebracht werden.
  2. Daraufhin kann die Netzanpassung genau positioniert werden; bereits erfolgte Verschiebungen des Netzes verursacht durch Querdehnungen aus vorherigen Stationen sind zu diesem Zeitpunkt deutlich erkennbar.
    In der vorgestellten Lösung erfolgt die Netzanpassung im flachen Band; das Ergebnis wird dann auf die verformte Geometrie projiziert. Somit kann der Benutzer die Veränderungen im verformten Zustand verifizieren und direkt mit den konstruierten Querschnitten vergleichen. Falls notwendig, kann eine Verfeinerung sogar unabhängig in zwei unterschiedliche Richtungen vorgenommen werden.
Direkter Vergleich für eine FEA-Simulation mit „Local Adaptive Refinement“(rot) und “COPRA® Advanced Restart” (blau)
Direkter Vergleich für eine FEA-Simulation mit „Local Adaptive Refinement“(rot) und “COPRA® Advanced Restart” (blau)

3. Anschließend wird die Simulation mit dem angepassten Netz fortgesetzt.

Mit dieser Vorgehensweise konnte in einem Beispielprojekt bei data M der Zeitaufwand für eine vollständige Simulation um gut 40% reduziert werden. Insbesondere bei kurzen Zeitspannen zwischen Auftragseingang und Liefertermin erweist sich die neue COPRA® FEA RF Funktion „Advanced Restart“ als besonders hilfreich.

Im Vergleich zu der interaktiven Netzanpassung mit Hilfe von „Advanced Restart“, steigt die Elementanzahl beim "Local Adaptive Refinement“ stark an, was sich natürlich auch in der Gesamtrechenzeit  für eine Rollformsimulation niederschlägt. An einem Beispiel konnte die Rechenzeit von 128h auf nur 5h unter Verwendung der „Advanced Restart“ verkürzt werden.

Vergleich der Formrohrkontur mit dem an die Biegestellen angepassten (verfeinerten) Netz
Vergleich der Formrohrkontur mit dem an die Biegestellen angepassten (verfeinerten) Netz

Ein weiterer Vorteil der „Advanced Restart“ Funktion besteht in der Möglichkeit, ein durch die Umformung qualitativ degradiertes Netz durch ein neues optimales qualitativ hochwertiges Netz zu ersetzten. Dies wirkt sich sowohl auf die Rechenzeit als auch auf die Ergebnisqualität positiv aus.

Anwendung der „Advanced Restart“ Funktion am Beispiel eines Formrohrs

Bei der Simulation eines Formrohrs wird zunächst das Ausgangsmaterial in ein gleichmäßig aufgebautes Netz unterteilt. Das Ergebnis des ersten Simulationsabschnittes ist ein Rohr, dessen Kontur im zweiten Simulationsabschnitt zu einem Formrohr umgeformt wird. Um ein an die Geometrie des Formrohrs angepasstes Netz zu erhalten, wird nun das gleichmäßige Ausgangsnetz angepasst.
Dazu wird dieses zunächst als flaches Band abgewickelt. Nun lässt sich das Netz vom Anwender an den Biegestellen des Formrohrs verfeinern. Im nächsten Schritt wird das abgewickelte und modifizierte Netz zurück in die Rohrkontur transformiert. Durch das Einblenden eines Querschnitts des Formrohrs kann die Netzanpassung bzw. die Netzverfeinerung sehr einfach kontrolliert und gegebenenfalls korrigiert werden.

Beispiel für ein Netz mit eingebrachtem Lochbild
Beispiel für ein Netz mit eingebrachtem Lochbild

Mit der „Advanced Restart“ Funktion kann nun das Lochbild genau zum richtigen Zeitpunkt im Prozess eingebracht werden. Bevor das Blech in die Stanzstation einläuft, wird die Simulation angehalten. Mit Hilfe der COPRA® FEA Software wird dann für das in COPRA® RF konstruierte Lochbild ein passendes Netz erzeugt. Dieses Netz wird für den „Advanced Restart“ importiert und kann ggf. weiter bearbeitet werden. Auf das so entstandene Netz werden automatisch die alten Simulationsergebnisse gemapped und die Simulation kann mit dem neu eingebrachten Lochbild fortgesetzt werden.

Übersichtliche Ergebnisdateien

Die Software COPRA® FEA RF legt eine durchgehende Ergebnisdatei an. Diese fasst die einzelnen Teilsimulationen, die normalerweise durch Restarts entstehen, mit durchgehender Nummerierung zusammen. Dies ermöglicht eine einfache und komfortable Auswertung der Simulationsergebnisse auch über mehrere Restarts hinweg.

Stromausfall? Kein Problem!

Die „Advanced Restart“ Funktion bietet dem Anwender einen weiteren Vorteil: sie ermöglicht es, eine Simulation nach einer Unterbrechung, beispielsweise verursacht durch einen Stromausfall, dort fortzusetzen, wo sie unterbrochen wurde. Auch dies spart dem Anwender viel Arbeit und Zeit.

Zusammenfassung

Die neue „Advanced Restart“ Funktion in COPRA® FEA RF bietet eine völlig neue prozessoptimierte Anpassung der Vernetzung an jeder beliebigen Stelle der Simulation. Die Vernetzung kann vom Benutzer optimal angepasst werden. So können Verfeinerungen und zusätzliche Elemente exakt an der Stelle und zu dem Zeitpunkt definiert werden, wo sie wirklich sinnvoll sind. Die Simulationen werden dadurch erheblich beschleunigt und qualitativ verbessert.