Kurzbeschreibung zum Forschungsantrag

lft

Forschungsthema

Hybride Modelle zur rechnerunterstützten Verzugsvorhersage und -minimierung von geschweißten Großstrukturen.

2 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung

Die wichtigste Aufgabe bei der Produktentwicklung ist die Verkürzung von Entwicklungszeiten und die Sicherstellung einer hohen Qualität. Ein Hindernis zur Realisierung war bisher die zeitliche Aufeinanderfolge von Produktentwurf, Konstruktion und Prozessentwicklung. Bei dieser Handlungsabfolge wurden Schwierigkeiten wie schweißbedingter Verzug und Eigenspannungen sowie die Notwendigkeit aufwendiger Spanntechnik erst zu einem späten Zeitpunkt während der Fertigung erkannt. Die Lösung hieß Virtualisierung der Entwicklungs- und Produktionskette - vom Produktentwurf über die Gestaltung und Bemessung der Konstruktion mit entsprechender Werkstoffauswahl bis zur Prototypenfertigung. Ein wichtiger Bestandteil der virtuellen Fertigung (Abnahme) gefügter Konstruktionen sollte die numerische Simulation schweißtechnischer Fertigungsschritte bilden, die eine rechnerische Unterstützung der Gestaltung hinsichtlich Schweißbarkeit, -sicherheit und -qualität sowie Herstellung am Computer erlaubt. Die derzeit praktizierte Vorgehensweise, vollständige thermomechanische Schweißsimulationen mit den verfügbaren FE-Programmen ist jedoch sehr komplex, setzt in hohem Maße Spezialkenntnisse und langjährige Erfahrung voraus. Des Weiteren stoßen die Softwareprodukte an ihre Grenzen bei der Berechnung von Großstrukturen. Das ist das zweite und heute wesentlichere Hindernis. Das Problem der derzeitigen Simulationsprogramme und - vorgehensweisen besteht darin, dass sie nur für kleine Bauteile anwendbar sind, da die numerische thermomechanische Schweißsimulation eine feine Elementvernetzung im Bereich der Schweißnaht und Wärmeeinflusszone sowie eine hohe zeitliche Auflösung erfordert. Dies führt bereits bei kleinen Bauteilen zu hohen Rechenzeiten bis zu mehreren Tagen. Die Verzugsvorhersage für Bauteile mit großen Abmessungen und komplexen Schweißnahtverläufen ist daher unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht möglich und stellt die Anwendung der numerischen Schweißsimulation insbesondere bei kleinen und mittelständischen Unternehmen generell in Frage. Die Softwarefirmen versuchen den oben beschriebenen Problemen zu begegnen und bieten selbst entwickelte Lösungen an. Die darunter bekannten Vorgehensweisen wie z. B. Moving Reference Frame, Macro Bead Welding oder Welding Assembly (Local-Global Methode) sind ein wichtiger erster Schritt zur Lösung der genannten Probleme. Diese Vorgehensweisungen beruhen auf Vereinfachungen der komplexen numerischen transienten Schweißsimulation.

Der Forschungsbedarf besteht in der Weiter- und Neuentwicklung von vereinfachten Lösungsansätzen zur Verzugsvorhersage von geschweißten Großkonstruktionen. Eine Lösungsalternative ist die Entwicklung von neuen hybriden Modellen, welche die Vorteile von analytischen Modellen (z. B. schnelle, geschlossene Lösungen) mit den numerischen Möglichkeiten (z. B. komplexe Geometrien, Temperaturabhängigkeit der Materialdaten) verbinden, um einen entscheidenden Beitrag zur effizienten Verzugssimulation von Großstrukturen zu leisten. Die Implementierung in kommerzielle Software wird vor allem für kleine und mittelständische Unternehmen von besonderem Interesse sein, da demzufolge diese Modelle einem breiteren Anwenderkreis zur Verfügung stehen.

Ein Beispiel aus unseren Vorarbeiten zeigt Bild 1. Ein Rahmen aus Hohlprofilen wird mit 8 Metallschutzgas-Schweißnähten in der Folge 1…8 zusammengesetzt. Man erkennt eine gute Überreinstimmung zwischen den Ergebnissen bei gleichzeitiger 130-facher Ersparnis der CPU-Zeit. Hauptverschiebung Bild 2. Hauptverschiebung nach den Schweißen
a) Hohlprofilrahmen, 1...8 Schweißfolge
b) vollständiges transientes Modell
c) Schrumpfkraft-Modell (rechts)

hoch  Seitenanfang

3 Forschungsziel / Ergebnisse / Lösungsweg

3.1 Forschungsziel

3.1.1 Angestrebte Forschungsergebnisse

Das Ziel dieses Projektes ist es, neue begründete Lösungsansätze zu entwickeln, die die aufwendigen durchgehenden thermomechanischen FE-Simulationen vollständig oder zum Teil ersetzen. Eine generelle Lösung wäre es, praxisrelevante Ergebnisse zu erzielen, ohne die zurzeit breit praktizierten nicht-linearen FE-Berechnungen durchführen zu müssen. Ein solcher Lösungsweg ist unter der Voraussetzung denkbar, dass die getroffenen Vereinfachungen nicht nur zufällig gute Ergebnisse liefern. Dafür müssen diese Annahmen theoretisch begründet sein und ihre Einsatzgrenzen klar definiert werden. Es werden drei neue Lösungsansätze theoretisch herausgearbeitet und für den Einsatz mit dem kommerziellen Softwarepaket SYSWELD® vorbereitet und implementiert. Für die Verwendung mit weiterer vorhandener, kommerzieller Software werden die Vorgehensweisen und Umsetzungen der Lösungsansätze in Form von Algorithmen bereitgestellt. Alle Modelle werden zunächst mit den an der Forschungsstelle vorhandenen experimentellen Untersuchungen für I- und T-Stoß Verbindungen verifiziert. Es liegen umfassende und gut dokumentierte experimentelle Ergebnisse vor (Temperaturzyklen, Verschiebungsmessungen mit Wegaufnehmern, optisch aufgenommene flächenhafte 3D Verschiebungsfelder mit ARAMS®). Abschließend werden alle Modelle an Großstrukturen verifiziert. Die Entwicklung von folgenden Modellen ist geplant:

hoch  Seitenanfang

3.1.2 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse

Als Ergebnis des Vorhabens werden drei neue Modelle vorliegen, welche die komplexe thermomechanische Simulation des Schweißens erheblich vereinfachen und schnellere Verzugsminimierungen von großen Bauteilen ermöglichen.

hoch  Seitenanfang

3.2 Lösungsweg zur Erreichung des Forschungsziels

Methodischer Ansatz

SK-Modell:

Das SK-Modell ist ein analytisch-numerisches Modell. In der ersten thermomechanischen Stufe des Models wird für jede Schweißnaht die Bestimmung der Schrumpfkräfte vorgenommen. In der zweiten Deformationsstufe werden in Abhängigkeit der Schweißfolge die für jede Naht ermittelten Kräfte auf ein 3D FE-Modell übertragen. In einer anschließenden elastischen FE-Strukturanalyse werden die globalen Verformungen der Großstruktur von dieser Schweißnaht ermittelt. Dann wird die nächste Naht aufgebracht und die Verformungen der Großstruktur erneut berechnet. Der Endverzug ergibt sich in der FE-Strukturanalyse nach der letzen Naht in der Schweißfolge. Es sind folgende Schwerpunkte besonders zu untersuchen:

MT-Modell:

Das MT-Modell kann entweder als rein numerisches, oder als ein analytisch-numerisches Modell aufgebaut werden. Mit einem lokalen (2D oder 3D, numerisches oder analytisches) Temperaturmodell der Schweißnaht (Mikro) werden die maximall erreichten Temperaturen (Tmax) und t8/5 Zeiten ermittelt und auf das (2D bzw. 3D) Modell (Makro) der Großkonstruktion mit Chimera-Technik übertragen. Für jede vorhandene Schweißnaht erfolgt eine mechanische Berechnung in zwei Lastschritten: Aufheizen von Raumtemperatur auf Tmax und Abkühlen von Tmax auf Raumtemperatur unter Berücksichtigung der t8/5 Zeit für die Gefügeumwandlungen. Bei dem Hybridmodell können gewisse Annahmen für das Temperaturfeld getroffen werden, ohne Einschränkungen für das mechanische Modell in Kauf nehmen zu müssen. Bei der rein numerischen Vorgehensweise sind keine zusätzlichen Vereinfachungen im Vergleich mit der üblichen transienten Simulation erforderlich.

RI-Modell:

Das dritte RI-Modell ist eine Weiterentwicklung des von SYSWELD® benutzten Local-Global Approaches. Es erweitert die bekannte Vorgehensweise dahingehend, dass die aus der Einspannung resultierenden Kräfte, die in der Regel an den Rändern der Großstruktur ansetzen, auf die freigeschnittenen lokalen Modelle der Schweißnaht übertragen werden. Diese beeinflussen in Abhängigkeit der Steifigkeit der Gesamtkonstruktion in erheblichem Maße die Ausbildung des plastischen Dehnungsfelds im Nahbereich der Schweißnaht. Wie das MT-Modell besteht das RI-Modell aus zwei separaten Modellen: Mikro(Local)-Modell - die Schweißnaht und Makro (Global) Modell - die Konstruktion. Das globale Makro-Modell wird als rein linearelastisches Modell zwei Mal eingesetzt. Die Simulation mit dem RI-Modell erfolgt in drei Stufen:

Mit dem geplanten Forschungsvorhaben sollen effektive, auf vergleichenden Simulationen und Experimenten gestützte, Simulationstechniken bereitgestellt werden. In Verbindung mit der kommerziellen Software werden diese einen breiteren Anwenderkreis, insbesondere viele kleine und mittelständische Unternehmen, erreichen. Gleichzeitig werden sie die Simulationsqualität mit reduziertem Aufwand, ohne spezielle Vorkenntnisse und Verlust an Aussagekraft sichern.

hoch  Seitenanfang

Arbeitsschritte

1. Gekoppeltes Analytisch-Numerisches Modell (SK-Modell)

2. Lokales Maximaltemperaturmodell - Globales thermomechanisches Modell (MKModell)

3. Globales elastisches Modell – Lokales thermomechanisches Modell – Globales elastisches Modell (RI-Modell)

4. Validierung

5. Richtlinie und Abschlussbericht

hoch  Seitenanfang

Durchführende Forschungsstelle

BTU Cottbus
Lehrstuhl Fügetechnik
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. V. Michailov

hoch  Seitenanfang