Aktueller Stand, lwb

Forschungsthema

Hybride Modelle zur rechnerunterstützten Verzugsvorhersage und -minimierung von geschweißten Großstrukturen im Cluster „Anwendungsdnahe Schweißsimultion komplexer Strukturen”

Arbeitspaket 1: Gekoppeltes analytisch-numerisches Modell

Der Inhalt dieses Arbeitspunktes ist es, ein gekoppeltes analytisch-numerisches (hybrides) Modell zu entwickeln. Hierfür wurde zunächst die mathematische Vorgehensweise zur Berechnung der Längs- und Querschrumpfkräfte zusammengetragen und verifiziert. Anschließend wurde auf Basis der funktionsanalytischen Prozedur ein Berechnungsprogramm „WELDIS“ (Welddistortions) entwickelt. Das Programm bietet dem Anwender eine benutzerfreundliche Oberfläche, in welche die geometrischen Abmessungen der Schweißverbindung, die thermophysikalischen Werkstoffeigenschaften und verschiedene Schweißparameter eingegeben werden. Abhängig von diesen Werten werden die Schrumpfkräfte längs und quer zur Naht und ihre zugehörigen Angriffspunkte berechnet und ausgegeben. Diese werden anschließend einem numerischen Programm übergeben und die Verformungen in linear-elastischen Analysen bestimmt. Die zeitaufwendige thermomechanische Analyse zur Berechnung von Schweißverzügen wird somit umgangen.

In der Abbildung 2 sind die Verzüge einer vollständigen thermomechanischen Simulation (links) und die des hybriden Modells (rechts) für einen geschweißten L-Stoßes gegenübergestellt.

Abbildung 2: Ergebnis der thermomechanischen Analyse (links) und des hybriden Modells(rechts)

Nachfolgend sind die berechneten Verzüge entlang zweier Pfade in z-Richtung für die zwei unterschiedlichen Vorgehensweisen dargestellt, Abbildung 3.

Abbildung 3: Durchbiegung entlang ausgewählter Pfade

Die numerisch und hybrid berechneten Verzüge sind in der Tabelle 1 dem Experiment gegenübergestellt. Die Ergebnisse der unterschiedlichen Vorgehensweisen variieren nur gering, jedoch unterscheiden sie sich signifikant in den Bearbeitungszeiten.

Tabelle 1: Bearbeitungszeiten im Vergleich

  Experiment Thermomechanisch Hybrid
Bearbeitungszeit 1 h 6 h 2 s
Max. Durchbiegung [mm] 12,1 mm 10,2 mm 9,5 mm

Arbeitspaket 2: Lokales Maximaltemperaturmodell – globales thermomechanisches Modell

Das zweite Arbeitspaket befasst sich mit der Berechnung der Maximaltemperaturen beim Schweißen in lokalen Modellen der Schweißnähte und der Übertragung auf das globale Modell der Konstruktion. Zur Berechnung der Maximaltemperaturen werden verschiedene Möglichkeiten herangezogen. Mit einem analytischen Ansatz können sie 1-, 2- und 3-dimensional bestimmt werden. In Abbildung 4 sind die auf ein FEModell übertragenen Maximaltemperaturen (links ANSYS® und rechts SYSWELD®) dargestellt. Die Maximaltemperaturen wurden zuvor mit einem zweidimensionalen analytischen Ansatz berechnet.

Abbildung 4: Analytisch bestimmtes 2D Maximaltemperaturmodell übertragen auf ein numerisches
Modell (links ANSYS® und rechts SYSWELD®)

Die zweite Möglichkeit ist die lokale Berechnung der Maximaltemperaturen mittels eines numerischen Programms. Sind die Maximaltemperaturen 2-dimensional berechnet worden, so werden sie, abhängig von der Richtung der Gradienten, auf zwei verschiedene Wege auf das globale Modell übertragen: Bei Gradienten über der Plattendicke werden sie auf die Querschnittsebene der Schweißnaht übertragen; gibt es keine Veränderung der Temperatur in Plattendickenrichtung, so überträgt man sie auf die Plattenebene. Die letzte Variante des Maximaltemperaturmodells ist die 3DBerechnung der Temperaturen und die anschließende Übertragung auf das globale Modell.

Die geplanten Arbeiten wurden mit dem PBA am 29.01.2008 in Düsseldorf und am 01.10.2008 in Salzgitter diskutiert. Darüber hinaus sind die Zwischenergebnisse auf der GST Dresden und auf dem CADFEM User Meeting 2008 in Darmstadt einem breiten Fachpublikum vorgestellt worden.

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