sheet metal forming simulation in industry

8/6/2019 Sheet Metal Forming Simulation in Industry

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E L S E V I E R Journal of Materials ProcessingTechnology60 (1996) 19-26

JournalofMaterialsProcessingTechnology

Sheet metal form ing simulation in industryA. Makinouchi

The Institute of Physical and Chemical Research - RIKEN, 2-1 Hirosawa, Wako, 351-01 Japan

A b s t r a c tI n o r d e r t o s e e a c t u a l p r e s e n t s i t u a t i o n o f f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n s y s t e m i n t ro d u c e d t o i n d u s t r y t o b e u t il i z e d a tt h e s t a m p i n g t o ol d e s i g n s e c ti o n , fo u r d i f fe r e n t e x a m p l e s a r e i n t r o d u c e d . I t i s c l e a r l y s h o w n f r o m t h e e x a m p l e t h a t e a c hi n d u s t r y h a s i t s o w n p u r p o s e t o t h e s i m u l a t i o n ; p r e d i c t i o n o f w r i n k l e , p r e d i c t io n o f s u r f a c e d e fl e c ti o n , s t u d y o f t e a r i n gl i m i t c o n d i t io n , d e t e r m i n a t i o n o f b l a n k g e o m e t r y , p r e d i c t i o n o f s p r i n g b a c k , e v a l u a t i o n o f s h e e t t h i c k n e s s a n d r e s i d u a ls t r e s s , a n d s o o n . P r e s e n t s t a t e o f s i m u l a t i o n s y s t e m s i n t e g r a t e d i n t o C A D is a l s o i n v e s t i g a t e d .

Keywords: F i n i t e E l e m e n t S i m u l a t i o n S y s t e m , S h e e t M e t a l F o r m i n g , D i e F a c e D e s i g n

L I n t r o d u c t i o nW o r l d w i d e e f f o r t s h a v e b e e n m a d e t o d e v e l o p f i n i t ee l e m e n t c o d e s t o s i m u l a t e s h e e t m e t a l f o r m i n g p r oc e s se s .T h e s e c o d e s a r e e x p e c t e d t o b e a p o w e r f u l t o o l s t o i n d u s -t r i a l u s e r s w h o a r e w o r k i n g i n t h e t o o l i n g d e s i g n s e c t io n .R e c e n t a d v a n c e s o f t h i s t e c h n o l o g ic a l f i e ld c a n b e s e e n , fo r

e x a m p l e , i n t h e p r o c e e d in g s p a p e r s o f i n t e r n a t i o n a l c o n-f e r e n c e s s p e c i f ie d to t h e s h e e t f o r m i n g s i m u l a t i o n , s u c h a sS y m p o s i u m o n C o m p u t e r M o d e l in g o f S h e e t M e t a l F o r m -i n g P r o c e s s ( 1 9 8 5) [ 1], F E S i m u l a t i o n o f 3 - D S h e e t M e t a lF o r m i n g P r o c e s s e s i n A u t o m o t i v e I n d u s t r y ( 1 9 9 1 ) [2 ] a n dN U M I S H E E ~ 9 3 ( 1 99 3 ) [3 ]. T h e p r o g r e s s i s a l s o c l e a r l ys e e n i n t h e b e n c h m a r k t e s t s o r g a n i z e d u n d e r t h e s p e c if icp u r p o s e t o c l a r i f y t h e p r e d i c t i o n c a p a b i l i t y o f s h e e t f o r m -i n g d e f ec t s ; O S U t e s t [ 4 ], V D I t e s t [2 ] a n d N U M I S H E E T ' 9 3tes t [ 3 ] .H o w e v e r, in m a n y c a s e s t h e p e r f o r m a n c e a n d c a p a b il -i t y o f i n d i v id u a l c o de d e m o n s t r a t e d i n a p a p e r a n d / o r ab e n c h m a r k t e s t a r e t h e s o c a l le d ~ c h a m p io n d a ta " a n d t h u st h e y a r e n o t e a s i l y a c h i e v e d i n t h e i n d u s t r i a l p r o d u c t i o nd e s i g n p h a s e . T h e r e a l w a y s e x i s ts a r a t h e r l a r g e g a p b e -t w e e n r e s e a r c h p h a s e a n d i n d u s t r i a l p h a s e .T h e p u r p o s e o f t h e p a p e r i s t o l o ok a t p r e s e n t s i t u a t i o no f f i ni t e e l e m e n t s i m u l a t i o n s y s t e m i n t r o d uc e d t o i n d u s t r ya n d t o re c o n s i d e r r e a l r e q u i r e m e n t s f r o m i n d u st r i a l e n gi -n e e r s , w h i c h m a y g i v e a n i m p o r t a n t i n f o r m a t i o n t o a r e -s e a r c h e r f o r f u r t h e r d e v e l o p m e n t o f a f i n it e e l e m e n t s y s -t e m .9.. E x p e c t e d r o l e o f f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n

I n o r d e r t o i l l u s t r a t e t h e e x p e c t e d r o l e o f s i m u l a t i o n ,l e t u s c o n s i d e r a c a s e o f a u t o m o b i l e i n d u s t r y . T h e d e s i g na n d m a n u f a c t u r i n g p r o c e d u r e o f s t a m p i n g t o o ls u s e d fo r0924-0136/96/$15.00 1996 ElsevierScience S.A. All rights reservedPl10924-0136 (96) 02303-5

p r o d u c t i o n o f c a r p a n e l s i s f i g u r e d o u t i n F i g. 1 , s t a r t i n gf r o m t h e c o n c e p t a n d s t y l e d e s i g n o f a n e w c a r , a n d e n d i n gw i t h t h e c o m m e n c e m e n t o f p r e d u ct i o n. A b s o l u te t i m e m e a -s u r e i s n o t i n d i c a t e d i n t h e f i g u re , s i n c e i t d e p e n d s v e r ym u c h o n t h e p o l i c y a n d t e c h n o lo g i c a l a t t i t u d e o f i n d i v i d u a la u t o m o b i l e i n d u s t ry . H o w e v e r , m o s t o f i n d u s t r i e s m a k ev e r y k e e n e f fo r ts t o r e d uc e t i m e f o r m a n u f a c t u r i n g n e ws t a m p i n g t o o l s e t s a n d c o n s e q u e n t l y s a v e c o s t a n d r e -s o u r ce s . E x p e c t e d r o l e o f t h e f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n i st o m e e t t h i s r e q u i re m e n t .S i m u l a t i o n m a y b e e f f e c t iv e l y p e r f o r m e d a t f i v e di f fe r -e n t s t a g e s i n F i g . 1 f o r t h e p u r p o s e o f h e l p i n g d e c i s i o nm a k i n g i n d e s i g n a n d m o d i f ic a t i o n o f p a r t s a n d t o o ls . T h ef i r s t s i m u l a t i o n i s a t t h e p r o d u c t i o n p r o c e s s d e s i g n s t a g e< 1> . P u r p o s e o f t h e s i m u l a t i o n a t t h e s t a g e i s t o m a k e ar o u g h e s t i m a t i o n w h e t h e r p a n e l s o f n e w d e s i g ne d c a r c a nb e fo r m e d o r n o t. I f a n s w e r i s " n o ' , t h e e a r d e s i g n m u s t b em o d i f ie d . H o w e v e r , a t t h i s s t a g e g e o m e t r y o f b o d y p a r t sa r e n o t f u l l y d e s c r i b e d i n C A D s y s t e m a n d n o t o o l d a t ae x i s ts , t h u s i t i s n o t p o s s i b l e t o m a k e f u l l s i m u l a t i o n .

T h e p r e c i s e s i m u l a t i o n i s a c h i e v e d a t s t a g e < 3 > t o d e-t e r m i n e n u m b e r o f s t a m p i n g s t e p s, s u c h a s f i r s t d r a w i n g,s e c o n d d r a w i n g , t r i m m i n g , e d g e b e n d i n g , a n d t o d e s i g nd i e f a c e g e o m e t r y u s e d a t e a c h s t a m p i n g s t e p . A t t h i s s t a g ed i e fa c e g e o m e t r y is m o d e l e d b y C A D s u r f a c e d e s c r i p t i o na n d t h u s m o d i f ic a t i o n o f d i e f a c e d a t a i s m a d e r a t h e r e a s -i l y a c c o r d i n g t o t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s o n s a m e C A D s y s -t e m . T h e p e r f o r m a n c e o f i n t e g r a t e d C A D a n d s i m u l a t i o ns y s t e m i s c r u c i a l f o r o b t a i n i n g w e l l o p t i m i z e d s t a m p i n gs t e p s a n d d i e f a c e s h a p e i n v e r y l i m i t e d t i m e a l l o c a t e d t ot h e p r o d u c t i o n t o o l d e s i g n .T h e s i m u l a t i o n i s a l s o r e q u i r e d a t t h e t r y o u t s t a g e < 4 > ,t o fi n d a s o l u t i o n t o a v o i d t h e f o r m i n g d e f e c t s a p p e a r e dd u r i n g t r y o u t .I n o r d e r t o s t u d y t h e m e c h a n i s m o f o r i gi n a t io n a n d


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2 0 A. Makinouchi /Jou rnal o f Materials Processing Technology 60 (1996) 19-26S t a r t i n g o f S t a r t i n g o fd e s i g n T I M E p r o d u c t i o n

Car [Production Id e s i g n p r o c e s s e s i g n [A

P r o ttool d e si g n X ~ o l d e s pb W A ductiootoo, ~ a ~ ~ ~ W ma n uf a ct u ri n gP r o t o t ~ r p e ~ o r \~ t y m , modification

S i m u l a t i o n < 1 > < 2 > < 3 > < 4 > < 5 >F i g. 1 D e s i g n a n d m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s o f s t a m p i n g t o o l si n a u t o m o b i l e i n d u s t ry . - P R E S E N Tp r o p a g a t i o n o f d e f ec t s, t h e s y s t e m a t i c s e r i es o f s i m u l a -t i o n c a n b e t a k e n p l a c e a f t e r p r o d u c t i o n s t a t e d < 5 > , a n do b t a i n e d i n f o r m a t i o n i s e f f ic i e nt l y m a d e u s e o f i n t h e n e x tn e w m o d e l .A s s u m e t h a t t h e f i n it e e l e m e n t s i m u l a t i o n i s p o w e r fu le n o u g h t o p r e d i c t a l l t h e f o r m i n g d e f e c t s a n d p r o v i d e o p t i -m u m s t a m p i n g t o o l s a n d c o n d i t i o n s , w e m a y c o m p l e t e l ye l i m i n a t e t h e p r o t o t y p e t o o l s f r o m t h e d e s i g n a n d m a n u -f a c t u r i n g p r o c e d u r e , a n d w e a l s o r e d u c e n u m b e r o f t r ia la n d m o d i f i c a t i o n o p e r a t i o n s . T h u s t h e p r o c e s s m i g h t b es h o r t e n d r a m a t i c a l l y a s i s i l l u s t r a t e d i n F i g . 2 . T h i s i s t h em o s t i d e a l a t t i t u d e o f t h e f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n s y s -t e m i n s h e e t m e t a l f o r m i n g in d u s t r y .

S t a r t i n g o f S t a r t i n g fd e s i g n T I M E p r o d u c t i onProductionp r o c e s s e s i g n

I t ~ as t i [ M a c h i n i n g [ l T r i a l i nr ~ ] & a s se m bl [ y [ p r o du c t io nTrisl

S i m u l a ti o n i > < 2 >F ig . 2 D e s i g n a n d m a n u f a c t u r i n g p ro c es s o f s t a m p i n g

tools. - Fu tu ret ia l s h e e t d e f o r m a t i o n o n t h e d i e fa c e d u e t o w e i g h t a n dt h e s p r in g b a c k a f t e r o r m i n g .E l a s t o - p l a s t i c fi n i t e e l e m e n t m e t h o d - s t a t i c i m p l i c i t a p -p r o a c h

S i n ce s h e e t s t a m p i n g p r o c e s s is n o t r e a l l y i m p a c t p r o -c e ss , i t m a y b e a p p r o p r i a t e t o a s s u m e t h e q u a s i s t a t i c e q u i.l i b r i u m t h r o u g h t h e p r o c e s s. T h e s t a t i c i m p l i c i t t i m e i n t e -g r a t i o n s c h e m e s a t i s f y t h i s r e q u i r e m e n t , s i n c e t h e e q u i l i b -r i u m c o n d i t i o n i s h o l d a t e a c h t i m e i n t e g r a t i o n s t e p . H o w -e v e r , d if f ic u l t y e x i s t s t o o v e r c o m e c o n v e r g e n c e p r o b l e m ,w h i c h i s m a i n l y d u e t o c o n ti n u o u s c h a n g e o f c o n t a c t a n df r i ct i o n s t a t e b e t w e e n t o o l a n d s h e e t d u r i n g i t e r a t i o n .

3 . E x i s t i n g s i m u l a t i o n c o d e S t a t i c e x p l ic i t a p p r o a c hA p o w e r f u l fi n i te e l e m e n t c o d e i s p r i m a r y i m p o r t a n t t oc o n s t r u c t a s i m u l a t i o n s y s t e m . F i n i t e e l e m e n t c o d e s p a r -t i c i p a t e d t o t h e b e n c h m a r k t e s t o f N U M I S H E E T 9 3 [3 ] a r el i s te d i n T a b l e 1. T h r e e d i f f e r e n t b e n c h m a r k p r o b l e m s a r ep r o p o s e d b y t h e o r g a n i z e r ; s q u a r e c u p d e e p d r a w i n g ( in -t e n d i n g t o p r e d i c ti o n o f w r i n k l i n g a n d s p l i t t in g f o r r a t h e rs i m p l e g e o m e t r y ) , f r o n t f e n d e r s t a m p i n g ( p r e d i c t i o n o fw r i v k ll r ~g a n d s p l i t t i n g f o r v e r y c o m p l e x to o l g e o m e t r y ) ,a n d 2 - D d r a w b e n d i n g ( p r e d i c t i o n o f s p r i n g b a c k ) . T h e p r o b -

l e m s p a r t i c i p a t e d b y e a c h c o d e a re m a r k e d i n t h e t a b le .F i n i t e e l e m e n t c o d e s d e v e l o p e d s p e c i f ic a l l y f o r s h e e tm e t a l f o r m i n g s i m u l a t i o n m a y b e c l a s s if i ed b y i ts f o r m u -l a t i o n a n d t i m e i n t e g r a t i o n a l g o r i t h m a s c l a ss i fi e d i n T a b l e1 . T h e r e a r e m a n y i n v e s t i g a t i o n s f o r c o m p a r i s o n b e t w e e nc l a ss i fi e d m e t h o d s , a n d a d v a n t a g e a n d d r a w b a c k o f e a c hm e t h o d a r e p o i n t e d o u t [ 5 -7 ]. I f w e m a k e a v e r y r o u g h c o n -c e p t u a l e v a l u a t i o n o f e a c h m e t h o d , f o l lo w i n g r e m a r k s m a yb e s t a t ed .R i g i d - p l a s t i c o r r i g i d - v is c o p l a s t i c f in i t e e l e m e n t m e t h o d

F o r m u l a t i o n a n d i m p l e m e n t a t i o n i s r a t h e r s i m p l e , a n df a s t c a l c u l a t i o n i s a c h i e v e d . D u e t o l a c k o f t h e e l a s t i c re -g i o n i n m a t e r i a l m o d e l , i t i s n o t p o s s i b l e t o c a l c u l a t e i n i-

I n o r d e r t o a v o i d t h e c o n v e r g en c e p r o b l em , t a n g e n ts t i ff n e s s m a t r i x e q u a t i o n i s s o lv e d w i t h o u t i t e r a t i o n a t e a c ht i m e i n t e g r a t i o n s t e p w i t h l i m i t i n g t h e s t e p s i z e to v e r ys m a l l v a l u e b y t h e r - m i n i m u m p r o c e d u re . L a r g e n u m b e ro f i n c r e m e n t a l s t e p s a r e n e c e s s a r y t o c o m p l e t e t h e e n t i r ef o r m i n g p ro c e s s w i t h o u t h a v i n g a c c u m u l a t i o n o f e rr o r d u et o n e g l e c t i n g h i g h e r o r d e r t e r m s i n t i m e i n t e g r a t i o n .D y n a m i c e x p l i c i t a p p r o a c h

D y n a m i c e q u i l i b r i u m e q u a t i o n i s t h e b a s e s o f t h i s f o r-m u l a t i o n . I t i s b i g a d v a n t a g e t h a t t h e s t i f fn e s s m a t r i x i sn o t n e c e s s a r y t o b e c o n s t r u c t e d a n d s o l v e d , s o t h a t t h e s o -l u t io n o f o n e t i m e s t e p c a n b e o b t a i n e d m u c h f a s t e r t h a nt h e s t a t i c a p p r o ac h . M o s t i m p o r t a n t p o i n t is t h e d y n a m i cn a t u r e o f t h i s a p p r o a c h . I n o r d e r t o o b t a i n s t a b l e s o l u t i o ni n t h i s t im e i n t e g r a t i o n s c h e m e , i n c r e m e n t a l t i m e m u s t b el i m i t e d to s u c h v a l u e t h a t a d i l a t a t i o n w a v e d o e s n o t c r o s st h r o u g h a n y e l e m e n t , a n d t h u s 1 0 6 s e c ou d s is t h e m o s ts t a n d a r d t i m e s t e p s i z e. I n o r d e r t o re d u c e c a l c u l a t i o n t i m e ,s i m u l a t i o n a r e o f t e n p e r fo r m e d u n d e r a c c e l e r a te d t o o l sp e e d ( in m a n y c a s e s 1 00 t i m e s f a s t e r p u n c h s p e e d c o m -p a r e d t o a c t u a l s p e e d i s a p p l i e d ) , s o m e t i m e s l e a d i n g t ou n r e a l i s t i c r e s u l t s .


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RJ.4. Makinouchi /Journal of Materials Processing Technology 60 (1996) 19-26

; i d - ( v i a c o ) - p l a s t i c

Program name

SHEET-3MFP2DMFP3DFORMSYS-SHEETCASHE

Organization

Ohio State Univ.Univ. of CatalunyaUniv. of CatalunyaKAISTKAIST

Country

' U .S .A .Spain!SpainKoreaKorea

Benchmark ProblemsSquare

CupO

OOO

FrontFender

O

O

2DDraw

O

Elasto-plasticStatic-implicit

Program name

MTLFRMDiekaLAGAMINECALEMBOURABAQUSFLECHENIKE3DAUTOFORM

INDEED

Organization

Ford MotorUniv. of TwenteUniv. of LiegeEcole Central ParisH. K. S. Inc.Univ. Tech. CompiegneLivermore SoftwareETH ZwrichFord MotorINPRO

PROF IL Inst. National Sci.MARC Marc AnalysisStatic-explicit

Country

U .S .A .The NetherlandsBelgiumFranceU.S .A .FranceU . S . A .SwitzerlandU.S .A .Germany


CupOOOOOOO

FrontFender

O

O

2DDraw

0

00

France 0U . S . A . 0

21

Program name

ROBUSTITAS-3DITAS-2D

Organization

Osaka Univ.RIKEN Inst.RIKEN Inst.

Country

JapanJapanJaPan

Benchmark ProblemsSquare Front

Cup FenderO OO O

2DDraw

OO

Dyna mic explicit

Program name

LS-DYNA3DPAM-StampRADIOSSABAQUS/Explicit

CES-3D

Organization

Livermore SoftwareE. S. I.MECALOGH. K. S. Inc.Univ. Tech. CompiegneUniv. of Catalunya

Country

U .S .A .FranceFranceU.S .A .FranceSpain


CupOOOO

FrontFender

O

OO

2DDraw

OOO

OO

Table. 1 List of finite eleme nt codes participated to NUMISHEET'9 3 benchmark test.


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22 .4. Makmouchi / Journal of Materials Processing Technology 60 (1996) 19-264 . I n d u s t r i a l e x a m p l e

T o s e e t h e p r e s e n t s i t u a t i o n o f fi n i te e l e m e n t s i m u l a -t i o n s y s t e m i n i n d u s t r i e s f o u r d i f fe r e n t e x a m p l e s a r e i n -t r o d u c e d . A l l t h e i n f o r m a t i o n o f f o l lo w i n g e x a m p l e s a r ep r o v i d e d f ro m i n d u s t r i a l e n g i n e e r s w h o h a v e b e e n i nc h a n g e o f c o n s t r u c t i n g t h e s y s t e m i n t h e i r s e c ti o n a n d a r el e a d i n g t h e i r s i m u l a t i o n g r o u p .4.1 Automobile panel forming in NI SS AN MotorSystem structure

T h e d i e d e s i g n s e c t io n o f N I S S A N M o t o r C o . h a s a n i n -h o u s e C A D s y s t e m , w h i c h i s i n t e n s i v e l y u s e d t o d e s i g n d i ef a c e g e o m e t r y b a s e d o n t h e g e o m e t r i ca l d a t a o f p a r t s d e -s c r i b e d b y c u r v e d s u r f a c e s . I T A S - 3 D f i n i t e e l e m e n t c o d e i si n t e g r a t e d t o th i s C A D s y s t e m . T h e g e n e r a t i o n o f t o o lm e s h e s , i s i n g e n e r a l , o n e o f k e y i s s u e w h i c h e x e r t s l a r g ei n f lu e n c e u p o n t h e q u a l i t y o f s i m u l a t i o n a n d i t t a k e s v e r yl o n g t i m e t o a c c o m p l i s h a s u f f i c i e n t l y g oo d m e s h f o r d i e ,p u n c h a n d b l a n k h o l d e r . O n e a d v a n t a g e o f I T A S -3 D i s t h et o o l d a t a d e s c r i p t i o n . I T A S - 3 D u s e s " p o i n t d a t a " a p p r o a c h ,i n w h i c h t h r e e d i m e n s i o n a l t o o l s u r f a c e i s d e f i n e d b y a c ol -l e c t i o n o f p o i n t s d i s t r i b u t e d r e g u l a r l y i n t h e x - y c o o r d i n a t ep l a n e a n d i s g e n e r a t e d e a s i l y w i t h o u t h e l p o f o p e r a to r . A ni n - h o u s e m e s h g e n e r a t o r i n t e g r a t e d i n t o t h i s C A D s y s t e mc a n e f f i ci e n t l y p r o d u c e a s e t o f t o o l d a t a w i t h i n o n e d a y. B yu s i n g i n p u t p a r a m e t e r s t a k e n f r o m t h e m a t e r i a l d a t a b a s ea n d t h e d r a w b e a d f o r c e d a t a b a s e , m o d e l i n g p r o c e ss isr a t h e r a u t o m a t e d .

J f

Front fenderT h e f i r s t e x a m p l e o f a p p l i c a t i o n o f t h i s s y s t e m i s o p t i m i -z a t i o n o f d i e fa c e g e o m e t r y fo r t h e b l a n k - h o l d i n g o p e r a -t i o n o f t h e f r o n t f e n d e r p a n e l a t t h e p r o d u c t i o n t o o l d e s i g ns t a g e < 3 > in F i g . 1. M a i n a i m i s t o fi n d o p t i m u m d i e f a c eg e o m e t r y w h i c h a v o i d t h e w r i n k l e f o r m a t i o n w h i l e k e e p -

i n g s i z e o f t h e b l a n k s h e e t a s s m a l l a s p o s s ib l e . F ig . 3 s h o w ss h a p e o f s i m u l a t e d f r o n t f e nd e r , i n w h i c h t h e e f fe c t o f h e i g h tH a t A - A s e c t i o n is e x a m i n e d . T h e i n c r e a s e o f H l e a d s t oi n c r e a s e o f t h e b l a n k s i z e , o n t h e c o n t r a r y t h e d e c r e a s e o fH g i v e s a n u n e v e n h e i g h t o f t h e d i e fa c e le a d i n g t o t h ew r i n k l e f o r m a t i o n . A r e s u l t o b t a i n e d u s i n g o p t h n i z e d d i ef a c e i s i l l u s t r a t e d i n F i g . 4 a . T h e w r i n k l e f o r m e d a t t h ea c t u a l p r o t o t y p e d i e t r y o u t ( F ig . 4b ) i s d i m i n i s h e d i n t h es i m u l a t e d m o d e l.

S E C A - AF i g . 3 D i e fa c e s h a p e o f f r o n t f e n d e r .

F i g . 4 S h e e t g e o m e t r y a f t e r b l a n k h o l d i n g o p e r a t i o n .( a) A c t u a l t r y o u t r e s u l t b y p r o t o t y p e t o o l.( b ) S i m u l a t i o n r e s u l t b y o p t i m i z e d t o o l .Trunk lid

T h e t r u n k l i d o u t e r p a n e l i s o f t e n s u b j e c t e d t o t h e s u r -f a c e d e f l e ct i o n w h i c h s p o i l s a p p e a r a n c e o f a c a r . T h e s u r -f a c e d e fe c t i o n o f t h i s p a n e l i s m a i n l y f o r m e d n e a r t h e c o r -n e r a s i s i l l u s t r a t e d i n F i g . 5 . T h i s d e f e c t i s s u p p o s e d t o b eo r i g in a t e d f r o m t h e n o n u n i f o r m c o n t a c t o f t h e s h e e t t o t h e


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A. Makinouchi /Journal of Materials Processing Technology 60 (1996) 19-26 23

Surface deflectionF i g . 5 T r u n k l i d o u t e r p a n e l . F i g. 6 D i s t a n c e b e t w e e n p u n c h a n d s h e e t .

M o d e l 1 M o d e l 2 M o d e l 3F i g. 7 D i s t r i b u t i o n o f d i s t a n c e b e t w e e n p u n c h a n d s h e e t , o b t a i n e d b y s i m u l a t i o n u n d e r d i f f e r e n t t o o l g e o m e t r y .

F i g. 8 P r o d u c e d p a n e l a n d s i m u l a te d p a n e l u s i n go p t i m i z e d t oo l.

p u n c h f a c e i n t h e d r a w i n g p r o c e ss . T h e d i s t a n c e b e t w e e np u n c h s u r f a c e a n d s h e e t , a s i s i l l u s t r a t e d i n F i g. 6 , i s e x-A m i n e d a t s e v e r a l f o a m i n g s t e p s . F i g . 7 s h o w s c o m p a r i s o no f h r e e s i m u l a t i o n r e s u l t s o b t a i n e d u s i n g t h r e e t o o l s w h i c h

h a v e d i f f e r e n t c o m b i n a t i o n o f h e i g h t B a n d C i n F i g . 5 . I ti s c l e ar l y s h o w n t h a t t h e e v e n d i s t r i b u t i o n o f d i s t a n c e a tt h e c o r n e r i s a c h i e v e d i n t h e m o d e l 3 . T h i s e ~ A m l n a t i o n i sp e r f o r m e d a t t o o l d e s i g n s t a g e < 3 > a n d t h e p r o d u c t i o n t o o le m p l o y i n g m o d e l 3 g e o m e t r y is p r o d u c e d . S a t i s f a c t o r y p a n e lq u a l i t y is o b t a i n e d a t t h e t r y o u t s t a g e a s i s s h o w n i n F ig . 8 .4.2 Automobile panel forming in MAZ DA Motor

Simulation systemM A Z D A M o t o r C o. u se s a n i n - h o u s e C A D s y s t e m , a n dP A M - S T A M P f in i t e e l e m e n t s o f t w a r e i s i n t e g r a t e d i n t o t h es y s t e m . T h e y m a d e l a r g e e f f o r ts to d e v e l o p a n e f f i c ie n t

a u t o m a t i c m e s h g e n e r a t o r fo r c r e a t i n g t o o l m e s h d i r e c t l yo n C A D s u r f a c e . T h e n e w m e s h g e n e r a t o r i s p o w e r f u le n o u g h t o g e n e r a t e l a r g e t o o l m e s h d a t a s u c h a s t h e f r o n tf e n d e r w i t h i n t w o d a y s. T h i s s y s t e m is u s e d i n d e s i g n a n dm a n u f a c t u r i n g s t a g e s < 3 > a n d < 5 > o f F i g . 1 . A m o n g p l e n t yo f s i m u l a t i o n c a s e s t w o e x a m p l e s a r e s h o w n i n t h e f o l lo w -i n g s e c t io n w h i c h i s p e r f o r m e d i n s t a g e < 5 > i n t e n d i n g t oo b t a i n i n f o r m a t i o n u t i l i ze d i n t h e n e x t m o d e l d e s i g n.Side fra me outer panel

T h e s i d e f r a m e o u t e r p a n e l i l l u s t r a t e d i n F i g . 9 i s v e r yl a r g e p a r t s w h i c h is s u b j e c t e d t o m a n y d i f f e r e n t f o r m i n gd e f e ct s . M A Z D A h a s u s e d t h e s i m u l a t i o n s y s t e m t o f i n dp r o p e r s o l u ti o n fo r m i n i m i z i n g w r i n k l i n g a n d a v o i d i n g t e a r -


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24 .4 . M ak inou chl / Journal o f M ate r ia l s Proces s ing Technology 60 (1996) 1 9-26

F i g . 9 S i d e f r a m e o u t e r p a n e l .

\

Fig . I i S i m u l a t i o n m o d e l f o r p r e d i c t i o n o f te a r i n g .H i g h "

a

bF i g . 1 0 S i m u l a t i o n r e s u l t o f s i d e f r a m e o u t e r p a n e l .( a ) R e s u l t u s e d a c t u a l p r o d u c t i o n to o l.( b ) R e s u l t u s e d o p t i m i z e t o ol .L ug . D y n a m i c - e x p l i c i t c o d e P A M - S T A M P h a s a d v a n t a g et h a t l a r g e n u m b e r o f e l e m e n t c a n b e u t i l iz e d i n m o d e l in g as h e e t b l a n k . B u t a l s o s u c h d i s a d v a n t a g e e x i s t s t h a t a p -p r o p r i a t e p u n c h s p e e d a n d m o d e l i n g c o n d i ti o n s h a v e t o b ef o u n d t o o b t a i n r e a s o n a b l e r e s u l t s w i t h i n r e a s o n a b l e ca l-c u l a t i o n t i m e .

T h e f i r s t e x a m p l e i s w r i n k l e s i m u l a t i o n . T h e w r i n k l ew a s f o r m e d r a t h e r e a r l y s ta g e o f s t a m p i n g a s i s s h o w n i nt h e s i m u l a t e d p a n e l i n F i g . 1 0 a . S e v e r a l m o d i f ie d t o o l w a st e s t e d b y s i m u l a t i o n a n d a n o p t i m i z e d t o ol s h a p e w a s f o u n d( F ig . 1 0 b ), w h i c h w a s u t i l i z e d i n t h e n e x t n e w c a r m o d e l .T h e s e c o nd e x a m p l e i s t e a r i n g p r o b l e m . T h e t e a r i n g a tt h e b o t t o m o f c e n t e r p i l la r i n F i g . 9 is a l w a y s a n n o y i n gp r o b l e m w h i c h o c c u r s i n m o s t o f n e w m o d e l s a n d h a v e t ob e r e m o v e d d u r i n g t h e t r y o u t w i t h l a r g e e f fo r t. I n o r d e r t of i n d a g e n e r a l s c h e m e t o a v o i d th i s d e f e ct , r a t h e r s i m p l es t r e t c h f l a n g i n g s i m u l a t i o n m o d e l , F ig . 1 1, w a s i n t r o d u c e d ,I n t h e s i m u l a t i o n e f f e c t o f t h e e d g e r a d i u s R o f s h e e t b l a n kw a s e x A m l n e d w i t h u s i n g a s e t o f t o o ls . S i m u l a t i o n r e s u l t sa r e p l o t t e d i n F i g . 1 2 a w h r e t h e l i m i t e d h e i g h t i s d e t e r -m i n e d b y t h e f o r m i n g li m i t d i a g r a m o f t h e s h e e t m a t e r i a l.

L O W ,

, , , !High Small* LargeBlank edge rad ius R

Formabi l i t yS e v e r e

Fig . 12

b

/ F o r m a b i l i ~ [ T e ar e d la an el a t t r yo u tLow rEma~1 Y I : ~ a a ~ n ~ a ~ l ~ ~ ou t

, , 1 iSm all , , LargeBlank edge rad ius RL i m i t l i n e e v a l u a t i n g t e a r i n g .( a ) T e a r i n g l i m i t d e t e r m i n e d b y s i m u l a t io n .( b ) T e a r i n g l i m i t o f a c t u a l p a n e l .T h e r e s u l t s a y s t h a t t h e l i m i te d h e i g h t i s l i n e a r ly i n c r e a s e sw i t h t h e b l a n k e d g e r a d i u s R . B a s e d o n t h i s i n f o r m a t i o na c t u a l t r y o u t d a t a o f s e v e r a l d i ff e r e n t ol d p a n e l w a s p l o t-t e d o n t h e s a m e g r a p h , a n d a c l e a r r e l a t i o n s h i p w a s o b -t a i n e d a s s h o w n i n F i g . 12 b . T h i s l im i t l i n e is u s e d a s t h ed e s i g n s t a n d a r d f o r a n e w c a r m o d e l .


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A. M akinouchi /Jou rnal of M aterials Processing Technology 60 (1996) 19-26 25

Realproduct axleease)

i

~ F E M simulation result

Fig. 13 Modeling of axle case forming by twodimensional code AXLE2D.Simulation

1.58ram ~ 1. , o

Real axlecase

Comparisonon mostdecrease hickness sectionFig. 14 Compar ison of cress sectional geometry of formedaxle case between simulati on and experiment.

4 5 o - L 7 4 -

-1 Re~\ \,I0 1000 20O0Distance from f ront [ram]

Fig. 15 Distribution of twisting angle along longitudinaldirection of frame side member.

Fig. 16 Simulated geometry of frame side memberin forming process.4 .3 F o r m i n g o f f r a m e a n d m e m b e r i n P r e ss K o g yoS y s t e m s t r u c t u r ePress Kogyo Co. utilizes three finite element codes,AXLE2D, ITAS-2D and ITAS-3D, which are integrated intopre and post processor IDEAS. Each code is used at differ-ent design stage. AXLE2D is special purpose program de-veloped by the company Airnlrlg o be used only for designof axle case.

A x l e c a s eThree dimensional forming process of axle case is mod-eled by a very simplified manner, tha t is, t he plane stress2D finite element method, as is shown in Fig. 13. By usingthis code, AXLE2D, simulation model is generated quickly,and using this model the mA~tiraum strain at stretchflanged part is roughly evaluated and the shee t blank ge-ometry is determined automatically before forming toolsare designed. This is a big advantage to have a specialpurpose code, and simulation result s are feedbacked to theaxle case design. After tools are designed, more preciseevaluation of quali ty of formed axle case, such as thick-ness distribution of the wall, amount of the side wall curland springback, Fig. 14, are performed by ITAS-3D.F r a m e s i d e m e m b e r o f t ra c k sSince the frame side member is not symmetric along thelongitudinal direction, entire struc ture is often twisted dueto the springback after forming. So tha t eva luation ofamount of twisting is one of most important issue to de-


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26 . 4 . Makinouchi / Journal of Materials Processing Technology 60 (1996) 19-26s i g n t o o l s. IT A S - 3 D i s u s e d a t s t a g e < 3 > f o r t h i s p u r p o s e ,p r o v i d i n g s u f f ic i e n t ly a c c u r a t e t w i s t e d s h a p e a s s h o w n i nF i g . 1 5 . O t h e r d e f e c t s s u c h a s w r i n k l e a n d s p r i n g b a c k o fs i d e w a l l a r e a l s o p r e d i c t e d b y t h i s s i m u l a t i o n . F i g . 1 6 d e m -o n s t r a t e s p r o c e s s o f w r i n k l e f o r m a t i o n d u e t o s h r i n k f l an g -i n g d e f o r m a t i o n , w h i c h g i v e s s i g n i f i c a n t e f f e c t t o s i d e w a l ls h a p e o f f o r m e d f r a m e .4.4 Forming of tire disk wheel in Central Motor WheelSystem structureC A D C E U S i s u s e d t o d e s i g n t ir e d i s k w h e e l a n d t h e g e o-m e t r i c a l d a t a i s t r a n s m i t t o p r e a n d p o s t p r o ce s s o r K SW A D .I T A S -2 D f i n i t e e l e m e n t i s i n c o r p o r a t e d t o K S W A D f o r th ep u r p o s e o f t w o d i m e n s i o n a l a x i s y m m e t r i c s e c t io n a n a l y s i so f t h e t i r e d i s k w h e e l f o r m i n g p r o c e s s.Disk wheelT h i s s p e c i a l p u r p o s e s y s t e m i s u s e d f o r d e s i g n o f t h em u l t i p l e f o r m i n g s t a g e s a n d t h e t o o l s h a p e s f o r a u to m o -b i l e d i s k w h e e l s . T h e m a i n a h n o f t h e s i m u l a t i o n i s to p r e -d i c t t h i c k n e s s c h a n g e s o f h e s h e e t a t e a c h s t ag e , a n d e v a l u -a t e t h e s p r i n g b a c k g e o m e t r y a n d t h e r e s i d u a l s t r e s s d is -t r i b u t i o n a t t h e f i n i a l f o r m i n g s t a g e . T h e c r o s s - s e c t i o n a ls h a p e o f t h e s h e e t a t t h r e e s u c c e s s i v e f o r m i n g s t a g e s o b -t a i n e d b y s i m u l a t i o n i s s h o w n i n F ig . 1 7 . T h e s t a t e o f s t r e s sa n d s t r a i n i n t h e s h e e t i s t r a n s f o r m e d f r o m p r e v io u s fo r m -i n g s t a g e t o t h e n e x t s ta g e , a n d t h u s e n t i r e f o r m i n g h i s-t o r y i s c o m p l e t e l y s i m u l a t e d t o e v a l u a t e f i n a l f o r m e d s t a t ev e r y p r e c i s e l y F ig . 1 8 . T h i s s y s t e m i s i n t e n s i v e l y u s e d a tt h e d e s i g n s e c t i o n < 3 > o f t h e c o m p a n y .F i r s t s t a g e S e c o n d s t a g e T h i r d s t a g e

A f t e r s p r i n g b a c k A f t e r s p r i n g b a c k A f t e r s p r i n g b a c ki

F ig . 1 7 S i m u l a t e d c r o s s - se c t i o n a l s h a p e o f t i r e d i skw h e e l i n s u c c e s s i v e f o r m i n g s t a g e s

5 . D i s c u s s i o nT h e e x a m p l e s s h o w n h e r e t e ll u s t h a t e a c h in d u s t r yh a s i t s o w n p u r p o s e t o u s e s i m u l a t i o n s y s t e m ; s u c h a s p r e -d i c t io n o f w r i n k l e , p r e d i c t i o n o f s u r f a c e d e f le c t io n , s t u d yo f t e a r i n g l i m i t c o n d i t io n , d e t e r m i n a t i o n o f b l a n k g e o m -e t r y , p r e d i c t i o n o f s p r i n g b a c k , e v a l u a t i o n o f sh e e t t h i ck -

n e s s a n d r e s i d u a l s t r e s s , a n d s o o n. I t i s r a t h e r a m a z i n gt h a t s i m u l a t i o n c a n m e e t s u c h v a r i e t y o f r e q u i r e m e n t s

F i g .1 8 S h e e t th i c k n e s s a n d r e s i d u a l s t r e s s a t f i na lf o r m i n g s t a g e

a s k e d f r o m i n d u s t r i a l e n g i n e e r s. H o w e v e r , i t i s a l so t r u et h a t a b i l i t y o f f i n i t e e l e m e n t c o d e s i s s t il l v e r y l i m i t e d , s ot h a t i f a u s e r w a n t s t o o b t a i n r e a l l y u s e f u l i n f o r m a t i o nw i t h i n r e a s o n a b l e t i m e a n d c o s t , h e / s h e h a s t o l im i t t h ep u r p o s e o f s i m u l a t i o n t o o n e o r t w o s p e c if i ed i te m s a n do p t i m i z e t h e c o d e a n d m o d e l f o r th i s p u r p o s e . T h i s s i t u a -t i o n m e a n s t h a t a co d e m u s t b e c u s t o m i z e d u n d e r g u i d -a n c e o f i n d u s t r i a l e n g i n e e r s t o a c h i e v e r e a l e f fi c ie n c y .A c k n o w l e d g m e n tT h e a u t h o r w o u l d l i k e t o t h a n k t o M r . H . S u n a g a o fN i s s a n M o t o r C o. , M r . T . O g a w a o f M a z d a M o t o r C o ., M r .I ~ K a z a m a o f P r e s s K o g y o C o . a n d M r . T . K a k i t a o f C e n t r a lM o t o r W h e e l C o . f o r t h e i r k i n d c o o p e r a t i o n fo r p r e p a r i n gt h i s p a p e r . M o s t o f t h e i n f o r m a t i o n a b o u t t h e s h n u l a t i o ns y s t e m a r e k i n d l y p r o v i d e d f r o m t h e m .R e f e r e n c e s[ 1] C o m p u t e r m o d e h n g o f s h e e t m e t a l f o r m i n g p r o c e ss ;e d i t e d b y N . - M . W a n g a n d S . C .T a n g , T h e M e t a l l u r g i-ca l Soc ie ty inc . , 1985.[ 2] F E - s i m u l a t i o n o f 3 -D s h e e t m e t a l f o r m i n g p r o c e s s i na u t o m o t i v e i n d u s t r y , V D I V e r l a g , 1 9 9 1 .[ 3] N U M I S H E E T 9 3 - 2 n d i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o nn u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f 3 - D s h e e t m e t a l f o r m i n g

p r o c e ss , e d i te d b y & M a k i n o u c h i , E . N a k a m a c h i ,E . O n a t e , R . H . W a g o n e r , 1 9 9 3 .[ 4] J. I ~ L e e , R . H . W a g o n e r a n d E . N a k a m a c h i ; " A b e n c h -m a r k t e s t f o r s h e e t f o r m i n g a n a ly s i s" , R e p o r t E R C /N S M - S - 9 0 - 2 2 O h i o S t a t e U n i v e r s i t y , 1 9 9 0 .[ 5] E . O n a t e e t a l , N U M I S T A M P : A r e s e a r c h p r o j e c t f o ra s s e s s m e n t o f f i n i te e l e m e n t m o d e l s f o r st a m p i n gp r o c e s se s , N U M I S H E E T ' 9 3 , p 1 9 , 1 9 9 3 .[ 6] D .Y .Y a ng e t a l ; C o m p a r a t i v e i n v e s t i g a t i o n i n t oi m p h c i t , e x p l i c i t , a n d i t e r a t i v e / e x p h c i t s c h e m e s f o rs i m u l a t i o n o f s h e e t m e t a l f o r m i n g p r o c es s ,N U M I S H E E T ' 9 3 , p 3 5 , 1 9 9 3 .[ 7] J . C . G e l i n e t a l ; Q u a s i - s t a t i c i m p l i c i t a n d t r a n s i e n te x p l ic i t a n a l y s e s o f s h e e t m e t a l f o r m i n g u s i n g a C Ot h r e e n o d e s h e ll e l e m e n t , N U M I S H E E T ' 9 3 , p 5 3 , 1 99 3 .

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