Die Blechumformungsimulation hat sich in den letzten 25 Jahren stark weiterentwickelt. Die Simulation des gesamten Tiefziehprozesses einschließlich Beschneiden, Bördeln und Rückfedern ist bei den meisten Automobilherstellern und Werkzeugbaubetrieben ein Standardverfahren. Die Verwendung von LS-DYNA, einem der genauesten Löser für die Blechumformung, erfordert noch einiges an Expertenwissen, was die Verwendung für Methodenplaner in ihrer täglichen Arbeit erschwert. Aus diesem Grund hat Ansys eine spezielle Software für die Simulation der Blechumformung entwickelt: „Ansys Forming“. Ansys Forming ist eine benutzerfreundliche GUI zum Aufbau und zur Auswertung einer Blechumformungssimulation ohne Expertenkenntnisse von LS-DYNA.

Sheet metal forming simulation has greatly evolved over the last 25 years. Simulation of the entire deep drawing process including trimming, flanging and springback is a standard procedure at most automotive OEMs and tool shops. Using LS-DYNA, one of the most accurate solvers for sheet metal forming, still needs some expert knowledge, which makes it difficult to use for method engineers in their day-to-day work. Therefore, Ansys has been developing a dedicated application for sheet metal forming simulation, “Ansys Forming”.

Coupling of material, process, and performance models is an important step towards a fully integrated material-process-performance design of structural components. In this research, alternative approaches for introducing the effects of manufacturing and material microstructure in plasticity constitutive models are studied, and a cyberinfrastructure framework is developed for coupled process-performance simulation and optimization of energy absorbing components made of magnesium alloys. The resulting mixed boundary/initial value problem is solved using nonlinear finite element analysis whereas the optimization problem is decomposed into a hierarchical multilevel system and solved using the analytical target cascading methodology. The developed framework is demonstrated on process-performance optimization of a sheetormed, energy-absorbing component using both classical and microstructure-based plasticity models. Sheetorming responses such as springback, thinning, and rupture are modeled and used as manufacturing process attributes whereas weight, mean crush force, and maximum crush force are used as performance attributes. The simulation and optimization results show that the manufacturing effects can have a considerable impact on design of energy absorbing components as well as the optimum values of process and product design variables.

The car industry produces many of their car parts by using sheet metal forming, where one of the most time-consuming phases is the development and manufacturing of new forming tools. As of today, when a new tool is to be evaluated in terms of usability, a forming simulation is conducted to predict possible failures before manufacturing. The assumption is then that the tools are rigid, and the only deformable part is the sheet metal itself. This is however not the case, since the tools also deform during the forming process. A previous research, which is the basis of this thesis, included a model with only elastic tools and showed results of high accuracy in comparison to using a rigid setup. However, this simulation is not optimal to implement for a daily based usage, since it requires high computational power and has a long simulation time.  The aim and scope for this thesis is to evaluate how a sheet metal forming simulation with elastic tool consideration can be reduced in terms of computational cost, by using the software LS-DYNA. A small deviation of the forming result is acceptable and the aim is to run the simulation with a 50-75 % reduction of time on fewer cores than the approximate 14 hours and 800 CPUs that the simulation requires today. The first step was to alter the geometry of the tools and evaluate the impact on the deformations of the blank. The elastic solid parts that only has small deformations are deleted and replaced by rigid surfaces, making the model partly elastic. Later, different decomposition methods are studied to determine what kind that makes the simulation run faster. At last, a scaling analysis is conducted to determine the range of computational power that is to be used to run the simulations as efficient as possible, and what part of the simulation that is affecting the simulation time the most. The correlation of major strain deviation between a fully elastic model and a partly elastic model showed results of high accuracy, as well as comparison with production measurements of a formed blank. The computational time is reduced by over 90 % when using approximately 65 % of the initial computational power. If the simulations are run with even less number of cores, 10 % of the initial number of CPUs, the simulation time is reduced by over 70 %. The conclusion of this work is that it is possible to run a partly elastic sheet metal forming simulation much more efficient than using a fully elastic model, without reliability problems of the forming results. This by reducing the number of elements, evaluate the decomposition method and by conducting a scaling analysis to evaluate the efficiency of computational power. / Bilindustrin producerar många av sina bildelar genom att tillämpa plåtformning, där en av de mest tidskrävande faserna är utveckling och tillverkning av nya formningsverktyg. Idag, när ett nytt verktyg ska utvärderas med avseende på användbarhet, genomförs en formningssimulering för att förutsäga eventuella fel innan tillverkning. Antagandet är då att verktygen är stela och den enda deformerbara delen är själva plåten. Det är dock inte så, eftersom verktygen också deformeras under formningsprocessen. Tidigare forskning, som ligger till grund för detta examensarbete, inkluderade en modell med endast elastiska verktyg och visade resultat med hög noggrannhet i jämförelse med att använda stela verktyg. Simuleringen med elastiska verktyg är emellertid inte optimal att implementera för daglig användning, eftersom den kräver hög beräkningskraft och har en lång simuleringstid. Syftet och omfattningen av detta examensarbete är att utvärdera hur en plåtformningssimulering med elastiska verktyg kan minskas med avseende på beräkningskostnaden, genom att använda programvaran LS-DYNA. En liten avvikelse från formningsresultatet är acceptabelt, och målet är att köra simuleringen med en 50-75 % minskning av tiden på färre kärnor än ungefär 14 timmar och 800 processorer som simuleringen kräver idag. Det första steget är att ändra verktygets geometri och utvärdera inverkan på deformationerna av plåten. De elastiska solida verktygsdelarna som endast har små deformationer raderas och ersätts av stela ytor, vilket gör modellen delvis elastisk. Senare studeras olika dekompositionsmetoder för att avgöra vilka som gör simuleringen snabbare. Till sist utförs en skalningsanalys för att bestämma antalet processorer som ska användas för att köra simuleringen så effektivt som möjligt. Korrelationen av huvudtöjningarna mellan en helt elastisk modell och en delvis elastisk modell visade resultat av hög noggrannhet, såväl som jämförelse med produktionsmätningar av en format plåt. Beräkningstiden minskar med över 90 % när man använder ungefär 65 % av den ursprungliga beräkningskraften. Om simuleringarna körs med färre antal kärnor, cirka 10 % av ursprungligt antal CPUer, minskar simuleringstiden med 70 %.  Slutsatsen av detta arbete är att det är möjligt att köra en delvis elastisk plåtformningssimulering mycket effektivare än att använda en helt elastisk modell, utan att de resulterar i pålitlighetsproblem. Detta genom att minska antalet element, utvärdera dekompositionsmetoden och genom att genomföra en skalningsanalys för att utvärdera effektiviteten av beräkningskraften. / Reduced Lead Time through Advanced Die Structure Analysis - Swedish innovation agency Vinnova

Induction Assisted Single Point Incremental Forming (IASPIF) is a die-less hot sheet metal forming. The IASPIF does not apply characteristic complex tooling like those applied in deep drawing and bending. In this thesis, induction heating was used to heat up the sheet while simultaneously forming with a tool. The research goal is to improve the formability of high strength steels by heating. The IASPIF consists of non-complicated set up that allows induction heating to be utilized through the coil inductor moved under the sheet and synchronized with the forming tool that moves on the upper side of the sheet. The advanced high strength steel alloys, DP980, DP600 and 22MnB5 steels, were investigated. The influence of induction heating on formability was evaluated by the maximum wall angle that can be achieved in a single pass. Additionally, tool diameter and tool feed rate was also varied. The most influencing parameters were tool feed rate, induction power, and the profile depth. A new forming strategy was also developed by control the heating temperature through coupling the formed profile depth with a successively increased tool feed rate. The forming forces of DP980 steel sheet, were reduced from 7 kN to 2.5 kN when forming process was performed at room and elevated temperature, respectively. Stretching stresses were developed during forming process causing a high reduction in the resulting wall part thickness. New findings in this investigation were the reverse relationship between the step-down depth and the thickness reduction percentage. The smaller the tool diameter, the better was the formability. The finite element simulation of the investigated forming process showed that the increase in heating temperature has a direct effect on rising the plastic strain from 0.2 at room temperature to 1.02 at 800 ◦ C. The maximum true strain achieved in the resulting wall part thickness was determined by FEM simulations and validated with experimental trials. The part shape accuracy was measured and the highest deflection was founded when the part was formed by the highest step-down depth. Moreover, the minimum deflection in the part shape was achieved by utilizing a high induction power in the experiments. Finally, the resulting mechanical properties of the 22MnB5 alloy sheet material were tailored during IASPIF. For this purpose, the sheets were locally heated by induction during the forming process and subsequently quenched at different rates. As a result, the produced tailored parts consist of three different regions, which consist of a ductile, transitional and hardened region. The proposed procedure allows forming and quenching at the same time without transfer and thus, process time was reduced. / Die induktionsgestützte, inkrementelle Blechumformung (englisch: Induction Assisted Single-Point Incremental Forming IASPIF) ist Warmumformprozess, bei dem keine komplexen Werkzeuge wie beim Tiefziehen und Biegen benötigt werden. Inhalt dieser Arbeit ist die inkrementelle Umformung eines Bleches mit gleichzeitig ablaufender induktiver Erwärmung. Das Forschungsziel bestand in der Verbesserung der Umformbarkeit von hochfesten Stahlwerkstoffen wie DP600, DP980 und 22MnB5 durch eine gezielte partielle Erwärmung. Der prinzipielle Aufbau des Versuchsstandes besteht aus einem Spuleninduktor, der unterhalb des umzuformenden Blechs platziert ist, und der synchron mit dem Werkzeug – einem Drückdorn – während des Umformvorganges verfährt. Ein wesentlicher Untersuchungsschwerpunkt bestand in der Ermittlung der Einflussgrößen auf den untersuchten IASPIF-Prozess. Für die Bewertung der Umformbarkeit wurden hierbei der maximal erreichbare Teilwandwinkel und die Profiltiefe, die in einem Umformdurchgang herstellbar waren, ermittelt und ausgewertet. Darüber hinaus konnten im Rahmen der Arbeit die Induktionsleistung des Generators, der Werkzeugdurchmesser und die Werkzeugvorschubgeschwindigkeit als relevante Prozessparameter identifiziert werden. Im Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen zeigten die Werkzeugvorschubgeschwindigkeit und die Induktionsleistung einen wesentlichen Einfluss auf die erreichbare Profiltiefe. Aufbauend auf den erzielten Ergebnissen konnte eine prozessangepasste Umformstrategie entwickelt werden, bei der eine konstante Erwärmungstemperatur durch das Koppeln der momentanen Profiltiefe mit einer sukzessiv steigenden Werkzeugvorschubgeschwindigkeit erreicht wird. Weiterhin ließen sich die Kräfte bei der Umformung eines Stahlbleches aus DP980 von 7 kN (bei Raumtemperatur) auf 2,5 kN (bei erhöhter Temperatur) reduzieren. Aufgrund des mit einem Streckziehvorgang vergleichbaren Spannungszustandes während des Umformprozesses war eine starke Verringerung der resultierenden Wanddicke zu beobachten. Als neue Erkenntnis in dieser Untersuchung konnte die umgekehrte Beziehung zwischen der Zustelltiefe und dem Dickenreduktionsprozentsatz abgleitet werden. Aus der Finite - Elemente - Simulation des vorgestellten Umformprozesses wurde erkennbar, dass die Erhöhung der Erwärmungstemperatur einen direkten Einfluss auf die plastische Dehnung von 0,2 (bei Raumtemperatur) auf 1,02 (bei 800 °C) hat. Mittels der numerischen Simulation und der nachfolgenden experimentellen Validierung erfolgte darüber hinaus die Bestimmung der maximalen wahren Dehnung, die in der resultierenden Wanddicke erreicht wurde. Bei den Versuchen mit der größten Zustellung ließ sich durch die Bestimmung der Teileformgenauigkeit die höchste Abweichung von der Sollgeometrie CAD Modell feststellen. Abschließend wurde nachgewiesen, dass der IASPIF Prozess auch zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften wie der resultierenden mechanischen Eigenschaften des Blechmaterials aus 22MnB5 einsetzbar ist. Zu diesem Zweck wurden die Bleche während des Umformprozesses lokal induktiv erwärmt und anschließend zur Einstellung des gewünschten Gefüges bei unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten abgeschreckt.