Kurzbeschreibung zum Forschungsantrag

iwm

Forschungsthema

Effiziente numerische Schweißsimulation großer Strukturenim Cluster „Anwendungsnahe Schweißsimulation komplexer Strukturen".

2 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung

Das Schweißen gehört zu den wichtigsten und am häufigsten eingesetzten Fügeverfahren. Beim Schmelzschweißen wird eine Wärmequelle über das Werkstück geführt und der Werkstoff lokal aufgeschmolzen. Die Wärmewirkung des Schweißens verursacht dabei unerwünschten Verzug und Eigenspannungen, die auch nach vollständiger Abkühlung im Bauteil enthalten bleiben und die Funktion des Bauteils in Bezug auf die spätere Verwendung nachteilig beeinflussen können. Aufwändige experimentelle Versuchsreihen und das Erproben unterschiedlichster Varianten an komplexen Bauteilen zur Minimierung von Verzug und Eigenspannungen werden aus wirtschaftlicher Sicht für Unternehmen zunehmend unvertretbarer.

Im Sinne der Minimierung der Herstellungskosten und der Verkürzung der Entwicklungszeiten bieten sich alternativ zum experimentellen Vorgehen numerische Methoden an. Für die Verzugs- und Eigenspannungsberechnung hat sich die Methode der Finiten-Elemente (FE) durchgesetzt. Der Einsatz moderner numerischer Simulationsmethoden zur Beschreibung schweißtechnischer Fertigungsschritte ermöglicht heute prinzipiell die Berechnung von Gefügeentwicklung, Verzug und Eigenspannungen in Abhängigkeit der Schweißprozesse und -parameter. Die aus der numerischen Simulation resultierenden
Ergebnisse hängen von den Werkstoffeigenschaften und der Modellbildung ab. Der Anwender muss in der Lage sein, die Modellierung der physikalischen Teilprozesse im Hinblick auf deren Einfluss auf das jeweils zu bestimmende Ergebnis physikalisch und werkstoffwissenschaftlich begründet einschätzen zu können. Die realitätsnahe Abbildung der thermophysikalischen Prozesse und die Anwendung auf komplexe Bauteile führt heute noch zu extrem hohen Rechenzeiten, was dem Einsatz der numerischen Simulation entgegen steht.

Zur Reduktion der Rechenzeiten werden in den kommerziellen Softwarepaketen teilweise Näherungsmethoden angeboten. Diese vorhandenen Ansätze (Local-Global-, Macro-Bead-, Shell/Shell-Solid-Ansätze) führen durch Vereinfachung der realen Randbedingungen zu kürzeren Rechenzeiten. Diese Vereinfachungen beschreiben den realen Schweißprozess und das resultierende Bauteilverhalten jedoch nur näherungsweise, weshalb sie sinnvoll nur für Spezialfälle anwendbar sind.

Neben der reinen Rechenzeit der transienten thermomechanischen FE-Analyse ist die Anpassung der Ersatzwärmequelle an gemessene Temperatur-Zeit-Verläufe eine weitere zeitintensive Vorgehensweise. Für eine Temperaturfeldberechnung beim Schweißen wird als so genannte Ersatzwärmequelle (siehe Abbildung 1) innerhalb eines gewählten Volumens eine Intensitätsverteilung derart angenommen, dass sich die berechneten und gemessenen Temperatur-Zeit-Verläufe nicht oder nur geringfügig unterscheiden. Die genaue Anpassung der Geometrie und Intensität der Ersatzwärmequelle an die gemessenen Temperaturzyklen ist in der Regel ein sehr aufwändiger Prozess, der je nach Problemstellung größere Zeiträume in Anspruch nehmen kann.

Ersatzwärmequelle
Abbildung 1: Schematische Darstellung einer Ersatzwärmequelle

Diese Komplexität der Simulation schweißtechnischer Fertigungsschritte, die Schwierigkeiten der Modellierung und der Verifizierung der Ergebnisse und schließlich die erforderliche hohe Rechnerkapazität und Rechenzeiten sind trotz der prinzipiellen Vorteile der numerischen Simulation ein großes Hindernis für die breite Anwendung.

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3 Forschungsziel / Ergebnisse / Lösungsweg

3.1 Forschungsziel

3.1.1 Angestrebte Forschungsergebnisse

Hauptziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Umsetzung von Methoden, mit deren Hilfe die Rechenzeiten der Schweißsimulation bei hinreichender Genauigkeit des Ergebnisses soweit reduziert werden können, dass die numerische Schweißsimulation in der industriellen Praxis effizient einsetzbar wird. Die zu entwickelnden Methoden sollen an Demonstratorbauteilen innerhalb des Clusters „Anwendungsnahe Schweißsimulation komplexer Strukturen“ validiert und im Hinblick auf die Rechenzeiteinsparung und Ergebnisgüte quantifiziert werden. Die Ergebnisse sollen in eine Richtlinie eingearbeitet werden, die zum Ziel hat, dem industriellen Anwender aufzuzeigen, welche Methoden und Vorgehensweisen bei der Schweißsimulation konkreter Probleme sinnvoll angewandt werden können.

Wesentliche Einzelziele des Vorhabens sind:

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3.1.2 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse

Die Ergebnisse sollen unmittelbar in die industrielle Anwendung einfließen. Durch den Einsatz der Schweißsimulation sollen die schweißbedingten Verzüge und Eigenspannungen bereits in der Entwurfsphase bestimmt und aufwändige Versuchsschweißungen reduziert werden. Der innovative Beitrag besteht in der Entwicklung neuer, an Bauteilversuchen und Referenzlösungen validierter Rechenmethoden und -prozeduren, mit deren Hilfe die numerische Schweißsimulation (Beispiel siehe Abbildung 2) effizient industriell eingesetzt werden kann. Durch den Einsatz der numerischen Schweißsimulation auch im Zusammenhang mit der Berücksichtigung des vorgelagerten Umformprozesses wird ein wichtiger innovativer Beitrag zur integralen Bauteilsimulation in der Prozesskette geleistet. Diese Rechenmethoden bilden ein wesentliches Werkzeug zur virtuellen Bauteilauslegung, zu kurzen Entwicklungszeiten und kostengünstiger Produktion.

Simulation
Abbildung 2: Simulation Laserstrahlschweißung an einer Dachträger-B-Säule

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3.2 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels

Entsprechend des Forschungsziels sollen Methoden erarbeitet und entwickelt werden,
die eine deutliche Rechenzeitersparnis bei ausreichender Ergebnistreue liefern. Da eine
numerische Schweißsimulation sowohl im Stadium der Modellerstellung als auch bei der
Modellierung der Ersatzwärmequellen und schließlich bezüglich der reinen Rechenzeit
mit sehr hohem Aufwand verbunden ist, sollen für diese zeitkritischen Aufgaben effiziente
Methoden entwickelt und an den im Rahmen des Clusters untersuchten Demonstratorbauteilen
verifiziert werden. Insbesondere steht am IWM eine Baugruppe aus Dachträger
und B-Säule als Referenzlösung zur Verfügung, für die bereits eine experimentell
verifizierte Referenzlösung (siehe Abbildung 3) sowie ein FE-Modell, Werkstoffkennwerte
und alle für die Schweißsimulation erforderlichen Randbedingungen vorliegen.

Verschiebungen
Abbildung 3: FE-Lösung (Verschiebungen) der Laserschweißung Dachträger-B-Säule

Grundidee für die Entwicklung einer neuen Rechenmethodik für quasi-stationäre Temperaturfelder ist die Tatsache, dass bei längeren Schweißnähten in einem großen Bereich der Schweißnaht keine oder vernachlässigbare Änderungen in den Temperaturen und Dehnungen um die bewegte Wärmequelle vorliegen. Für diesen Bereich des stationären Temperaturfelds wird ein stationäres Verhalten des Feldes der plastischen Dehnungen vorausgesetzt. Diese Annahme erspart wesentliche Rechen- und Iterationsschritte und sollte zu einer erheblichen Rechenzeiteinsparung führen. Rückwirkungen von mechanischen Randbedingungen auf die plastischen Dehnungen werden bei dieser Methode vernachlässigt.

Weitere Rechenzeitreduzierungen sollen durch eine geeignete Vernetzungsstrategie durch Schalenelemente und Solvereinstellungen erreicht werden. Reduzierungen des Modellierungsaufwands sind durch eine Vernetzung mit Tetraederelementen und eine Automatisierung des Abgleichs der Ersatzwärmequelle an Messergebnisse erzielbar. Schließlich sollen die Auswirkungen der Eigenspannungsverteilungen aus der Vorgeschichte des Bauteils auf das Schweißverzugsergebnis untersucht werden, um für die praktische Anwendung abschätzen zu können, inwieweit dieser Einfluss bei der Schweißsimulation zu berücksichtigen ist.

Die Arbeitsschritte umfassen im Einzelnen:

I. Neue methodische Ansätze zur Rechenzeitminimierung

II. Automatisierter Temperaturabgleich

III. Vernetzungsstrategien

IV. Einfluss Umformprozesses

V. Erstellung einer anwendungsorientierten Richtlinie

Durchführende Forschungsstelle

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik
Wöhlerstraße 11
D-79108 Freiburg
Ansprechpartner:
Marcus.Brand@iwm.fraunhofer.de
Michael.Luke@iwm.fraunhofer.de
Wulf.Pfeiffer@iwm.fraunhofer.de

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