Modellvalidierung und Parametrisierung eines skriptbasierten Finite Elemente Modells eines Walzprofiliergerüstes

Abstract

Diese Arbeit ist Teil eines Forschungsprojektes des Instituts für Fertigungstechnik und Photonische Technologien (IFT), welches sich für den Fertigungsprozess Walzprofilieren, unter anderem mit der Analyse des Verformungsverhaltens eines Walzprofiliergerüstes beschäftigt. Eine Profilieranlage besteht aus einer Reihe von einzelnen verstellbaren Gerüsten, welche aus einem Metallband sukzessive den Profilquerschnitt formen. Die Steifigkeiten der Walzprofiliergerüste, welche von Einstell-, Prozess- und Umgebungsparameter abhängig sind, haben einen entscheidenden Einfluss auf den Umformprozess und somit auf die Qualität des Endproduktes. Mit einer Optimierung der Anlageneinstellungen soll einerseits der Materialausschuss dieser Anlagen reduziert und anderseits die Stillstandzeiten minimiert werden. Hierzu ist essenziell, das Steifigkeitsverhalten der Walzprofilieranlage zu verstehen und hinreichend beschreiben zu können. Im Speziellen beschäftigt sich diese Arbeit mit dem Aufbau, der Standardisierung, Validierung und Parametrisierung eines Finite-Elemente-Modells (FE-Modells) des Wellenaufbaus mit Rollen eines einzelnen Umformschrittes. Durch die Erkenntnis der Diplomarbeit von Herrn Dipl.-Ing. Martin Leonhartsberger [1], welcher das Verformungsverhalten des Walzprofiliergerüstes messtechnisch untersucht hat, ist uns bekannt, dass der Wellenaufbau der nachgiebigste Teil des Gerüstes ist und alle anderen Komponenten näherungsweise mit linearen Federn beschrieben werden können. Das nichtlineare numerische Modell des Wellenaufbaus soll eine simulative Kopie des Messaufbaues der Realversuche des Forschungsprojektes darstellen. Somit können gewonnene Messergebnisse dieses Versuchsaufbaus direkt verglichen und etwaige Abweichungen analysiert werden. Um das Modell so präzise wie möglich zu gestalten, ist ein ständiger Abgleich der gewonnenen Erkenntnisse mit dem Versuchsaufbau und eine Nachjustierung der Modellparameter notwendig. Um die vorerst sehr aufwendig zu erstellenden Rechenmodelle für Folgeprojekte zu optimieren und die Reproduzierbarkeit deutlich zu erhöhen, wird zur Modellerstellung ein Skript zur automatischen Generierung des Modells erstellt. Weiters wird eine Datenbank zum Abruf der unterschiedlichen Rollensätze und Wellenaufbauten eingeführt. Somit kann der Aufwand einer Simulation einer neuen Versuchsreihe von derzeit mehreren Tagen auf einige Stunden reduziert werden. Dies ermöglicht eine rasche Auswertung des Kraft- Verformungsverhaltens von neuen Modellen. Die Modellerstellung und Programmierung des Skriptes wird primär von Herrn Projektass. Dipl.-Ing. Matthias Lamprecht im Zuge seiner Forschungsarbeit am IFT durchgeführt und im Rahmen dieser Arbeit unterstützt. Ein Großteil der Arbeit beschäftigt sich mit der Auswertung von Zwischenergebnissen vor und während der Skripterstellung, der Modellvalidierung, der Identifikation von signifikanten Einflussparametern und anschließender Interpretation der Biegelinien, um den Einfluss einzelner Bauteile auf das Steifigkeitsverhalten richtig beurteilen zu können.

This work is part of a research project of the Institute of Manufacturing Engineering and Photonic Technologies (IFT), which focuses on the roll forming process, including the analysis of the deformation behavior of a roll forming line. A production line consists of a series of individual adjustable frameworks, which successively form the profile from a metal strip. The stiffness of the roll forming framework has a considerable influence on the shaping process and thus on the quality of the product. By optimizing the system parameters, on the one hand the material scrap is to be reduced and on the other hand the downtimes are to be minimized. Consequently, it is essential to understand and sufficiently describe the stiffness behaviour of the roll forming line.This work deals with the design, standardization, validation and parameterization of a Finite Element Model (FE-Model) of the shaft structure with rolls of a single forming step. Due to the knowledge of the diploma thesis of Mr. Leonhartsberger [1], who investigated the deformation behaviour of the roll forming stand by measurement, we know that the shaft structure is the most flexible part of the framework and all other components can be described with linear springs. The nonlinear numerical model of the shaft structure is to be a simulative copy of the experimental set-up. The measurement results of the test set-up can be compared directly, and any deviations can be analyzed. In order to make the model as accurate as possible, it is necessary to constantly compare the obtained results and readjust the model parameters with the test set-up.In order to optimize the computational models for further projects, which are currently very time-consuming to create, and to significantly increase the reproducibility, a script for the automatic generation of the model is created. Furthermore, a database is introduced to retrieve the different roller sets and shaft assemblies. The effort of a simulation of a new test series can be reduced from currently several days to several hours. This allows a quick evaluation of the force-deformation behaviour of new models.The model creation and programming of the script is primarily done by Mr. Dipl.-Ing. Matthias Lamprecht in the course of his research work at the IFT and supported by me only. A large part of the thesis deals with the evaluation of intermediate results before script generation, model validation, identification of significant influencing parameters and subsequent interpretation of the bending lines in order to be able to correctly assess the influence of individual components on the stiffness behavior.