Kurzbeschreibung zum Forschungsantrag

ifs

1 Forschungsthema

Verzugsberechnungen an einer lichtbogengeschweißten komplexen Trägerstruktur aus dem Schienenfahrzeugbau im Cluster Anwendungsnahe Schweißsimulation komplexer Strukturen

2 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung

Die DVS-Studie „Fügeprozesssimulation – Innovative Anwendungen der Informatik“ ergab, dass die Verzugsberechnung insbesondere komplexer Bauteile zukünftig von gesteigertem industriellem Interesse sein wird. Weiterhin ist ein Mangel an abgesicherten Verfahren zur Modellierung komplexer Bauteile, unter Berücksichtigung aller relevanten Fertigungsrandbedingungen, festzustellen.

Prinzipiell erlaubt die Finite-Elemente-Methode heute eine Verzugs- und Eigenspannungsberechnung für geschweißte Bauteile. Die vorhandenen Methoden finden aber bisher kaum Anwendung in der Industrie, da die Berechnung komplexer Strukturen mit vertretbarem Aufwand noch nicht möglich ist. Insgesamt führt dieses zu einer schlechten Akzeptanz der Schweißsimulation, besonders in kmUs.

Die Schweißsimulation wird häufig als eine Kombination gekoppelter Einzelsimulationen aufgefasst und in die Bereiche Prozess-, Werkstoff- und Struktursimulation unterteilt.

Die Struktursimulation dient der Berechnung des Eigenspannungs- und Verzugszustandes aufgrund der in die Fügeteile eingebrachten Wärme. Sie erfolgt im Wesentlichen auf der Grundlage der aus der Werkstoffsimulation folgenden mechanischen Werkstoffkennwerte in Form einer elastisch-plastischen Strukturberechnung. Die Eigenschaften des verwendeten Werkstoffes und deren Abhängigkeit von der Temperatur sind dabei entscheidende Größen für die Modellierung des Schweißprozesses. Die Sensibilität des Berechnungsergebnisses in Bezug auf die Werkstoffkennwerte ist, speziell hinsichtlich der Auswirkung auf komplexe Strukturen, noch weitgehend unbekannt, auch wenn dies für einfache Strukturen Gegenstand aktueller bzw. zurzeit geplanter Arbeiten ist.

Die Modellierung des eigentlichen Schweißprozesses hat die Ermittlung der Schmelzzonengeometrie und der Wärmeverteilung aber auch des Prozesswirkungsgrades und der Prozessstabilität zum Ziel. Zur Vorhersage des Wärmeeintrags in den Werkstoff werden häufig sog. Wärmeleitmodelle verwendet. Prozessmodelle existieren zwar für mehrere Schweißprozesse, finden jedoch aufgrund ihrer großen Komplexität bisher kaum Anwendung in der Schweißsimulation.

Bei vielen Stählen sind Gefügeumwandlungen und dadurch bedingte Spannungen zu berücksichtigen. In kommerziell verfügbaren Programmpaketen erfolgt die Gefügevorhersage heute im Wesentlichen durch geeignete Gefügekinetiken oder aber auf der Grundlage empirischer Modelle.

Ein großes Problem in der praktischen Anwendung auf reale Schweißkonstruktionen ergibt sich durch die bei komplexeren Strukturen stark ansteigenden Berechnungszeiten, aufgrund der großen Temperatur- und damit auch Verformungsgradienten im Bereich der hocherhitzten Naht und WEZ. Die bisher zur Verfügung stehenden Methoden zur Simulation großer Strukturen nehmen zum Teil extreme Vereinfachungen vor und sind nicht ausreichend validiert. Weiterhin finden aufgrund der Komplexität auch Berechnungen mit mehreren oder mehrlagigen Schweißnähten kaum Anwendung. Auch die Abbildung von wichtigen Produktionsrandbedingungen, wie sie z.B. durch ein Heften der Bauteile entstehen, bereiten häufig Probleme.

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3 Forschungsziel / Ergebnisse / Lösungsweg

3.1 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse

Das große Potential der Simulation zur Kostenreduzierung und die Möglichkeit schweißtechnische Fertigungsabläufe zu verbessern tragen direkt dazu bei, dass innovativere Wege in der Fertigung beschritten werden können.

Auf Grundlage der geplanten Arbeiten kann besonders für kleine und mittelständische Unternehmen aufgezeigt werden, wie die verfügbaren Methoden der Schweißsimulation genutzt werden können, um die Fertigung neuer Produkte zeitnah und kostengünstig umzusetzen.

Den Herstellern von Software in diesem Bereich, bei denen es sich vielfach auch um kleine oder mittelständische Unternehmen handelt, liefert dieses und auch die anderen Projekte im Cluster wichtige Erkenntnisse, die direkt zur Verbesserung der Softwareprodukte verwendet werden können.

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3.2 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungszieles

3.2.1 Methodischer Ansatz

Die Arbeiten im Rahmen dieses Teilantrages des Clusters müssen grundsätzlich zwei Anforderungen gerecht werden. Einerseits sind die speziellen Forschungsziele dieses Teilantrags zu erreichen. Andererseits werden durch die hier beschriebenen Arbeiten den anderen Teilanträgen des Clusters experimentell validierte Berechnungsmodelle zur Verfügung gestellt, damit die in diesen Teilprojekten entwickelten Methoden an einer komplexen Struktur erprobt und bewertet werden können.

Zur Erreichung der Ziele dieses Projektes und der anderen Projekte des Clusters ist eine Bauteilstruktur hinreichender aber auch aus Sicht der Rechenzeiten handhabbarer Komplexität notwendig, die die Durchführung der im Folgenden beschriebenen Untersuchungen erlaubt. Es wurde eine Trägerstruktur aus dem Wagenkastenuntergestell eines Nahverkehrs-Dieseltriebwagens ausgewählt. Die betrachtete Struktur ist typisch für den Schienenfahrzeugbau. Es handelt sich um U-Profile aus dem Werkstoff S355J2G3 mit einer Blechdicke von 5 mm, die zu Tragstrukturen verschiedener Komplexität verschweißt werden (MAG-Verfahren, Kehl- und HY-Nähte).

Die Untersuchungen werden an einen Ausschnitt mit vier Profilknoten mit jeweils mehreren Schweißnähten durchgeführt. Die Schweißnähte sind hierbei so gewählt, dass sie in nicht umgeformten Bereichen liegen. Im Verlaufe der unter 3.2.2 beschriebenen Arbeitsschritte wird die Komplexität der untersuchten Struktur, durch Ändern der Schweißfolge und durch Fügen unterschiedlicher Knotenanzahlen, schrittweise erhöht.

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3.2.2 Arbeitsschritte

1) Erfassung des Ausgangszustands.
In einem ersten Arbeitsschritt erfolgt eine genaue Erfassung des Ausgangszustandes der Profile, die es erlaubt, die Annahme einer nicht vorbeanspruchten Struktur abzusichern.

2) Überprüfung der Werkstoffdaten des S355J2G3
Für den Werkstoff S355J2G3 liegen detaillierte Erkenntnisse aus vorangegangenen Untersuchungen vor. Um jedoch Unsicherheiten hinsichtlich der Werkstoffdaten auszuschließen, erfolgt eine stichprobenartige Überprüfung der vorhandenen Werte an der gleichen Charge aus der auch die verwendeten Profile gefertigt wurden.

3) Fügen eines Knotens mittels einer Naht ohne äußere Verformungsbehinderung
Ausgangspunkt ist ein mittels einer Naht ohne äußere Verformungsbehinderung gefügter Profilknoten. Der Knoten wird in diesem ersten Schritt statisch bestimmt gelagert. Eine weitergehende Einspannung erfolgt nicht.

3.2) Experimentelle Erfassung der Wirkung des Schweißprozesses
Dieser Arbeitspunkt dient der experimentellen Erfassung der Wirkung des Schweißprozesses. Hierzu werden während bzw. nach dem Scheißen Temperatur- und Verzugsmessungen durchgeführt, Makroschliffe und Mikroschliffe der Schweißnaht und der Heftstellen erstellt und der resultierende Eigenspannungszustand mittels Röntgenbeugung ermittelt.

3.3) Rechnerische Ermittlung der Wirkung des Schweißprozesses
Die Schweißsimulation erfolgt mittels der Software SYSWELD der ESI GmbH und, zu Vergleichszwecken, mit dem ANSYS-Modul „SST“ der CADFEM GmbH. In einem ersten Schritt wird mittels eines Volumenmodells und einer geeigneten Ersatzwärmequelle das experimentell bekannte Temperaturfeld in einer Wärmeleitungsberechnung abgebildet. In einem anschließenden Berechnungsschritt werden die ermittelten Temperaturen als Randbedingungen in eine mechanische Berechnung eingebracht. Die Berechnung erfolgt hierbei unter Berücksichtigung des temperaturabhängigen elastisch-plastischen Werkstoffsverhaltens, der Gefügeumwandlung, der Randbedingungen durch das vorangegangene Heften und der Nahtschließung und -ausbildung. Zur Berücksichtigung des Heftvorganges ist eine geeignete Methode zu entwickeln und mit den experimentellen Ergebnissen zu überprüfen.

3.4) Untersuchung des Einflusses einer Variation der Werkstoffkennwerte und der Werkstoffmodellierung („Sensibilität“)
In diesem Arbeitsschritt erfolgt, im direkten Anschluss an die Berechnungen in AP 3.3, eine Abschätzung der Sensibilität der Berechnungsgrößen bei Änderung verschiedener Eingangsgrößen. Dies erlaubt eine weitgehende Bewertung und Absicherung der im vorigen AP erreichten Berechnungsergebnisse und liefert wicjtige Erkenntnisse für die experimentelle Ermittlung von Werkstoffdaten.

4) Fügen eines Knotens mittels einer Naht bei steifer Einspannung
Im nächsten Schritt wird der Knoten mit steifer Einspannung gefertigt, ähnlich der Situation im industriellen Fertigungsprozess. Auch hier erfolgen zu den in 3.2 und 3.3 beschriebenen Schritten analoge experimentelle und rechnerische Untersuchungen. Zusätzlich werden die vorliegenden Randbedingungen bzw. die mechanische und thermische Wirkung der Spanntechnik experimentell erfasst und dem Teilprojekt 3 (iwb) zur Verfügung gestellt und die dort erarbeiteten Erkenntnisse genutzt.

5) Fügen eines Knotens mittels mehrerer Nähte
Auf der Grundlage der vorangegangenen Arbeitsschritte wird nun die Komplexität des Bauteils schrittweise erhöht. Nach der im AP 3 beschriebenen Vorgehensweise wird der bereits untersuchte Knoten mit einer stufenweise erhöhten Anzahl Schweißnähte gefügt. Im AP 5.4 erfolgt eine stichprobenartige Untersuchung der Sensibilität dieser im Vergleich zu AP 3.4 komplexen Variante mit mehreren Schweißnähten.

6) Anwendung ausgewählter Methoden zur Reduzierung des Berechnungsaufwandes
Eine ausgewählte Komplexitätsstufe aus AP 5 dient im nächsten Schritt als Grundlage für den Einsatz ausgewählter Methoden zur Rechenzeitreduzierung. Durch direkten Vergleich mit den Berechnungsergebnissen aus AP 5 kann eine Bewertung der verschiedenen Methoden durchgeführt und eine Absicherung der Vorgehensweise erreicht werden.

7) Fügen mehrerer Knoten
Um eine der industriellen Anwendung entsprechende Situation zu erreichen wird in diesem Schritt ein Feld aus vier identischen Knoten gemäß AP 5 betrachtet. Zusätzlich werden experimentell noch zwei weitere Varianten des Feldes mit veränderter Schweißfolge hergestellt und die auftretenden Verzüge gemessen. Diese Daten werden den anderen Projektpartnern zur Verfügung gestellt und dienen in den Teilprojekten 2 und 4 dazu, die Leistungsfähigkeit der Methoden zur Rechenzeitreduzierung zu demonstrieren.

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4 Durchführende Forschungsstelle

IFS - Institut für Füge- und Schweißtechnik, TU Braunschweig
Langer Kamp 8, 38106 Braunschweig
Leiter der Forschungsstelle: Prof. Dr.-Ing. K. Dilger
Projektleiter: Dipl.-Ing. Martin Vogt

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