Rollform-optimierte Netzanpassung mit der neuen Funktion „Advanced Restart“

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.

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.

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.
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.

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.