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Die virtuelle Profiliermaschine
ist die dritte Stufe des dreistufigen Konzepts zur Qualitätssicherung. Sie bietet die Möglichkeit, durch numerische Simulation des Walzprofilierprozesses mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) sehr genaue Informationen über die Spannungsverhältnisse im Profil während des Durchlaufs durch die Maschine und nach Verlassen der Maschine sowie über die auftretenden Formabweichungen zu erhalten. Dazu besitzt PROFIL eine Schnittstelle zum weit verbreiteten FEM-System ABAQUS/Explicit von SIMULIA Dassault Systèmes.
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Durchführen der Simulation:
Nachdem die Rollenkonturen festgelegt wurden, werden auf Knopfdruck die Input-Dateien für das FEM-System erzeugt, die das fertige Modell für die FEM-Simulation enthalten. Es wird das für das Blechbiegen optimale Schalenmodell benutzt; die Größe der Schalenelemente kann vom Anwender je nach gewünschter Genauigkeit entweder generell oder individuell frei gewählt werden. Generell bedeutet: jeweils für flache oder gebogene Profilelemente getrennt läßt sich eine konstante Schalenelementgröße festlegen. Individuell bedeutet: Für jedes Profilelement kann angegeben werden, in wieviele Schalenelemente es zerlegt werden soll. Auf diese Weise können besonders interessierende Bereiche des Profilquerschnitts zwecks höherer Genauigkeit feiner aufgelöst werden. Die Materialeigenschaften werden durch Angabe der Fließkurve vorgegeben. Weiterhin läßt sich der Zeitschritt der Massenskalierung wählen, mit dem man die Rechenzeit beeinflussen kann. Ein aus kleinster Elementkantenlänge und Materialeigenschaften berechneter Eingabevorschlag hilft bei der Wahl. Danach wird die FEM-Simulation gestartet. Dies sollte auf einem separaten leistungsfähigen Rechner erfolgen, da die Simulation je nach Komplexität des Profils und Anzahl Umformstufen zwischen einigen Stunden bis zu einigen Tagen dauern kann und dieser Vorgang nicht den Arbeitsplatz des Konstrukteurs blockieren sollte. Es wurde ein FEM-System gewählt, das explizit rechnet und damit das gerade bei dünnen Blechen häufig auftretende Beulen und Springen problemlos verarbeiten kann. Ein implizites Verfahren würde bei solchen Unstetigkeiten im Funktionsverlauf ohne besondere Maßnahmen abbrechen.
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Prüfen des Ergebnisses:
Als Ergebnis der Simulation erhält man zunächst einmal die Profilform des fertigen Profils nach Verlassen des letzen Walzgerüsts. Diese Zeichnung läßt sich mit der Sollform vergleichen. Werden die zulässigen Toleranzen nicht eingehalten, kann man die einzelnen Zeitintervalle nacheinander durchschalten und die Profilform innerhalb und zwischen den Walzgerüsten betrachten. Farben geben Aufschluss darüber, an welchen Stellen innerhalb der Maschine zu hohe Spannungen aufgetreten sind und wo bleibende Dehnungen entstanden sind. Auf diese Weise ist es möglich, die Ursache für die Formabweichnungen zu finden und den Rollensatz gezielt abzuändern.
Gegenüber Stufe 1 (Bandkantendehnung) und Stufe 2 (PSA - Profil-Spannungs-Analyse) hat die Finite-Elemente-Simulation den Vorteil, dass sie äußerst präzise nicht nur Spannungen und Dehnungen berechnet, sondern auch die vom konstruierten Rollensatz erzeugte Profilform sehr genau voraussagen kann. Wegen der längeren Rechenzeit setzt man das Verfahren sinnvoll am Ende der Konstruktionsphase ein.
Mehr: Qualitätssicherung bei der Profilrollen-Konstruktion
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