Forschungkonzept

Forschungsziel

Ziel der vier Teilprojekte des vorgestellten Paketantrags ist die Entwicklung von Methoden, die eine effiziente Berechnung der beim Schweißen komplexer Strukturen auftretenden Verzügen und Eigenspannungen nach der Methode der Finiten Elemente unter Berücksichtigung der in der Praxis auftretenden Randbedingungen erlauben. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Verzugsberechnung aufgrund ihres großen Potentials zur Optimierung von Fertigungsabläufen bereits in der Konstruktionsphase.

Aus dem oben dargestellten Forschungsbedarf wurden folgende Kernziele für die Projekte des Paketantrags abgeleitet:

Ziel der Projektarbeiten ist es, neue begründete Lösungsansätze zu entwickeln, die die aufwendigen durchgehenden thermomechanischen FE-Simulationen vollständig oder zum Teil ersetzen. Hierzu werden verschiedene neue Lösungsansätze verfolgt und die Grenzen und das Potential bestehender Methoden untersucht.

Diesem Ziel wird vorrangig in den Forschungsprojekten des IWM (Teilprojekt 2) und des LFT (Teilprojekt 4) Rechnung getragen, die sich der Entwicklung neuer Methoden widmen. Im Teilprojekt 1 (ifs) wird, anhand der dort untersuchten Struktur, die Anwendbarkeit verschiedener Methoden bewertet.

Eine zeitraubende Aufgabe stellt in vielen Fällen, speziell im Falle vieler Schweißnähte, auch die Anpassung geeigneter Ersatzwärmequellen an experimentelle Temperaturmessungen dar. Das Teilprojekt 2 (IWM) widmet sich daher unter anderem der Automatisierung dieser Aufgabe.

Zur Abbildung der Spanntechnik in der Schweißsimulation ist eine Erfassung und Systematisierung der Wirkung verschiedener industriell eingesetzter Spanntechniken notwendig und es sind geeignete Methoden zur Modellierung der Spannbedingungen zu entwickeln und zu validieren. Dies betrifft auch die in der industriellen Anwendung häufig anzutreffende Technik des Heftens von Bauteilen.

Die Projekte des iwb (Teilprojekt 3) und des ifs (Teilprojekt 1) behandeln diese Themen. Im Teilprojekt 3 ist die Methodenentwicklung zur Abbildung industriell relevanter Einspannsysteme zentrales Thema. Am ifs wird der Prozessschritt des Heftens untersucht.

Das Schweißen mehrerer Lagen ist speziell im Falle dickwandiger Bauteile häufig vorzufinden. Im Teilprojekt 1 des ifs wird hierzu die Modellierung des Schweißens einer Wurzellage betrachtet. Hier ist ein einfacher Ansatz zu wählen, der möglichst ohne eine aufwändige Modellierung des Wiederaufschmelzens eine korrekte Verzugsberechnung ermöglicht.

Als Sensibilität wird hier die Änderung einer Ausgangsgröße, z.B. des Verzugs, als Reaktion auf die Änderung einer Eingangsgröße, wie z.B. einem Werkstoffkennwert oder der Form der Energieeinbringung verstanden. Die Kenntnis der Sensibilität der Berechnung ist speziell im Falle der Werkstoffkennwerte von zentraler Bedeutung, da hierdurch eine Kostenreduzierung der sehr aufwändigen Kennwertermittlung erreicht werden kann. Die Sensibilität soll im Rahmen dieses Paketantrags speziell für eine komplexe Bauteilstruktur betrachtet werden, da ähnliche Untersuchungen in anderen Projekten sich ausschließlich mit Probenkörpern beschäftigen. Dieses Forschungsziel soll im Rahmen des Teilprojektes 1 (ifs) verfolgt werden. Als Beispiel für die Berücksichtigung eines häufig vorgelagerten Prozessschrittes wird im Rahmen dieses Paketantrags das Umformen betrachtet. Anhand einer Bauteilstruktur (Anbindung eines Dachträgers an eine B-Säule) werden die in diesen Aluminiumbauteilen durch den Umformprozess vorhandenen Eigenspannungen im Teilprojekt 2 des IWM in einer Schweißsimulation berücksichtigt und der Einfluss auf Verzug und Eigenspannungen durch den Schweißprozess untersucht.

Abbildung 1 fasst die beschriebenen Forschungsziele zusammen.

Forschungsziele
Abbildung 1: Forschungsziele des Paketantrags (schematisch)

Zur Erreichung der beschriebenen Ziele wurden vier Teilprojekte zu einem Paketantrag zusammengefügt:

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Forschungsansatz

Neben der reinen Methodenentwicklung, -erweiterung und -verbesserung ist eine experimentelle Absicherung der Untersuchungen unumgänglich. Hierzu sind problemorientiert geeignete Versuche an Kleinproben und an Bauteilstrukturen vorgesehen.

Auf der Grundlage der genannten Forschungsziele wurde der im Folgenden vorgestellte Forschungsansatz ausgearbeitet und ein abgestimmtes Arbeitsprogramm für die vier Teilprojekte erstellt. Die vorgesehenen Arbeiten behandeln die folgenden, in den nächsten Abschnitten genauer beschriebenen Punkte:

In der Anfangsphase der Paketantragsbearbeitung erfolgen eine parallele Entwicklung der angestrebten Methoden und die Schaffung experimenteller Grundlagen in den verschiedenen Teilprojekten. Die Methoden werden anhand von rechnerischen und teilweise auch einfachen experimentellen Untersuchungen soweit fertiggestellt, dass sie allen Teilprojekten zur Verfügung stehen. In einem zweiten Schritt erfolgt dann jeweils eine Validierung der Ergebnisse durch Anwendung auf die im Rahmen dieses Projektes untersuchten Demonstratoren.

Die experimentellen und rechnerischen Untersuchungen an zwei Demonstratoren sind daher zentraler Bestandteil der beabsichtigten Forschungsarbeiten. Hierbei handelt es sich einerseits um den Ausschnitt einer Wagenkasten-Trägerstruktur aus dem Schienenfahrzeugbau und andererseits um eine Baugruppe aus Dachträger und B-Säule aus dem Automobilbau. Das Bauteil aus dem Schienenfahrzeugbau wird mit Hilfe eines Lichtbogenschweißverfahrens gefügt, das aus dem Automobilbau durch Laserstrahlschweißen. Die beiden Bauteile lassen sich grob wie im Folgenden dargestellt charakterisieren.

Trägerstruktur aus dem Schienenfahrzeugbau:

Baugruppe aus Dachträger und B-Säule aus dem Automobilbau:

Die beiden Demonstratoren repräsentieren unterschiedliche industrielle Anwendungsbereiche. Während die Trägerstruktur sowohl für den Schienenfahrzeugbau als auch für den Anlagen- und Stahlbau typisch ist, stellt die Baugruppe aus Dachträger und B-Säule ein charakteristisches Bauteil aus dem Automobilbau dar. Beide Bauteile sind aufgrund der großen Relevanz des Schweißverzuges in der Fertigung ausgewählt worden.

Die Trägerstruktur bietet, da sie aufgrund der Profile keine integrale Konstruktion darstellt, den Vorteil, dass durch Fügen unterschiedlicher Profilanzahlen mit variierenden Schweißfolgen eine schrittweise Komplexitätssteigerung möglich ist. Dies erlaubt eine Validierung der verschiedenen Untersuchungen an unterschiedlich komplexen Strukturen. Eine Vorbeanspruchung durch vorgelagerte Prozesse spielt für dieses Bauteil eine untergeordnete Rolle, so dass entsprechende Unsicherheiten bzgl. der Modellierung hier weitgehend ausgeschlossen werden können.

Für die Baugruppe aus Dachträger und B-Säule existiert bereits eine validierte Schweißverzugssimulation aus einem abgeschlossenen Vorgängerprojekt. Zur Verfügung stehen also ein entsprechend nach schweißtechnischen Gesichtspunkten diskretisiertes FE-Modell, ein vollständiger Werkstoffdatensatz und alle für die Schweißsimulation erforderlichen Randbedingungen sowie Referenzergebnisse aus vollständig thermomechanischen Simulationen. An dieser Bauteilstruktur sollen zusätzlich die Untersuchungen zur Berücksichtigung der Umformvorgeschichte durchgeführt  werden. Weiter können Ergebnisse der zu entwickelnden Methoden der Forschungsinstitute (LFT und IWM) vorab mit der bestehenden Referenzlösung verglichen und entsprechend bewertet, verbessert und erweitertet werden, ohne zunächst auf die Ergebnisse der Schweißsimulation an der Trägerstruktur zu warten. Nachfolgend werden die so erprobten Methoden auch auf die Trägerstruktur angewandt.

Innerhalb des Paketantrags soll die Struktursimulation im Hinblick auf die Zielgröße des Verzugs im Vordergrund stehen. Hierbei werden im Gegensatz zu Prozessmodellen äquivalente Wärmequellen, welche ersatzweise effizient die Prozess-Struktur-Wechselwirkung auf der Basis von Wärmeleitungsberechnungen in die Simulation einbinden, angewendet.

Das Teilprojekt 1 („Verzugsberechnungen an einer lichtbogengeschweißten komplexen Trägerstruktur aus dem Schienenfahrzeugbau“) des ifs beschäftigt sich mit experimentellen und rechnerischen Untersuchungen an der Trägerstruktur aus dem Schienenfahrzeugbau. Diese stellen eine wichtige Grundlage zur Erprobung und Absicherung der Forschungsergebnisse der weiteren Projekte des Paketantrags dar. Dadurch stehen allen Forschungsstellen des Paketantrags experimentell validierte Referenzmodelle und experimentelle Daten zur Verfügung. Diese bilden eine Grundlage z.B. für die Entwicklung neuer Methoden zur Rechenzeitreduzierung in verschiedenen Teilprojekten.

Neben diesen für den Gesamtpaketantrag wichtigen Arbeiten werden im Projekt des ifs darüber hinaus folgende Aspekte der Modellierung einer komplexen Struktur untersucht:

Die Sensibilitätsanalyse der Verzugsberechnung bei Änderung der Eingangsgrößen der Berechnung wird im Projekt des ifs anhand ausgewählter Aspekte erörtert. Bereits vorhandene Erkenntnisse für die Trägerstruktur tragen dabei zur Auswahl der geeigneten Untersuchungen bei.

Weiterhin werden, als häufig auftretende Randbedingung beim Fügen komplexer Bauteile, verschiedene Verfahren zur Berücksichtigung von Heftvorgängen untersucht.

Die räumliche und zeitliche Nähe mehrerer Schweißnähte der Trägerstruktur und die Möglichkeit der schrittweisen Komplexitätssteigerung erlaubt die Untersuchung verschiedener Modellierungsmethoden im Projekt des ifs. Hierbei werden auch vereinfachende Ansätze zur Berücksichtigung des Schweißens von Gegenlagen untersucht.

Es werden zusätzlich vorhandene, aber nicht umfassend an komplexen Strukturen überprüfte Verfahren zur Rechenzeitreduzierung auf die Trägerstruktur angewendet und bewertet. Hierbei handelt es sich um

Im Rahmen des Teilprojekts 2 „Effiziente numerische Schweißsimulation großer Strukturen“ sollen am IWM entsprechend des Forschungsziels Methoden erarbeitet und entwickelt werden, die eine deutliche Rechenzeitersparnis bei ausreichender Ergebnistreue liefern. Als Problemfelder wurden die hohen Rechenzeiten und der große Modellierungsaufwand identifiziert. Im Einzelnen sollen im Rahmen des Teilprojekts des IWM folgende Arbeiten durchgeführt werden:

Das Teilprojekt 3 („Simulationsgestützte bauteilbezogene Analyse industriell relevanter Einspannsituationen beim Schweißen“) des iwb beschäftigt sich mit der simulationsgestützten Analyse industriell relevanter Einspannvorrichtungen beim Schweißen. Zielsetzung ist dabei, die physikalischen Eigenschaften der Spannelement-Bauteil-Wechselwirkungen abzubilden und wirtschaftlich einsetzbare Vorgehensweisen im Rahmen einer Schweißsimulation zu entwickeln. Die Möglichkeiten einer belastungs- und bauteilorientierten Anpassung der Spannsituation beim Schweißen werden in der produzierenden Industrie heute nur durch extrem großen experimentellen Aufwand und nicht unter Zuhilfenahme von Simulationsmethoden realisiert. Es werden als Ausgangsbasis vier beispielhafte, in der Industrie etablierte Spannvorrichtungen betrachtet, nämlich

Für diese Systeme sollen allgemein gültige Modelle entwickelt werden, welche im Rahmen einer kommerziellen Schweißsimulation eingesetzt werden können. Um zu diesem Ziel zu gelangen, ist geplant, diverse beispielhafte Fertigungsszenarien in der Simulation abzubilden. Die wirtschaftliche Bedeutung der Ergebnisse ist durch Einsatz der erarbeiteten Simulationsmodelle und der im Rahmen des Vorhabens erhaltenen Berechungsergebnisse gekennzeichnet. Diese Ergebnisse und die Anwendung der Simulationsmodelle unterstützen die Entwicklung, die Konzeptionierung und den Aufbau innovativer Einspannvorrichtungen sowie die optimierte Auslegung etablierter Spannsysteme für das Schweißen.

Innerhalb des Teilprojekts 4 „Hybride Modelle zur rechnerunterstützten Verzugsvorhersage und -minimierung von geschweißten Großstrukturen“ des LFT sollen neue begründete Lösungsansätze entwickelt werden, welche die Stärken der analytischen Ansätze (z. B. schnelle, geschlossene Lösungen) mit den Möglichkeiten der numerischen 3D FE-Strukturanalyse (z. B. komplexe Geometrien, Temperaturabhängigkeit der Materialdaten) kombinieren, um einen entscheidenden Beitrag zur effizienten Verzugssimulation von Großstrukturen zu leisten. Die Entwicklung von folgenden Modellen ist geplant:

Mit analytischen Berechnungen erfolgt für jede Schweißnaht des Modells die Ermittlung der Schrumpfkräfte, die anschließend auf ein numerisches 3D FE-Modell übertragen werden. In darauf folgenden linear-elastischen FE‑Strukturanalysen werden die globalen Verformungen der Großstruktur von dieser Schweißnaht ermittelt.

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