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Forschungsthema

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

Forschungsziel

Ziel der hier beschriebenen Arbeiten ist die Entwicklung bzw. Erweiterung, Anwendung und Validierung neuer und bestehender Rechenmethoden zur Verzugs- und Eigenspannungsberechnung beim Schweißen komplexer Strukturen. Hierzu werden neue Ansätze aus diesem und aus den anderen Projekten des Paketantrags und bestehende Methoden auf eine komplexe Trägerstruktur des Schienenfahrzeugbaus angewendet. Ein Vergleich mit den im Rahmen dieses Antrags geplanten Experimenten ermöglicht dann eine Bewertung der verschiedenen Modellierungsansätze. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf der Verzugsberechnung aufgrund ihres großen Potentials zur Optimierung von Fertigungsabläufen.
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.

Forschungsergebnis

Wie im Antrag beschrieben wurde zum Projektbeginn eine Trägerstruktur aus dem Wagenkastenuntergestell eines Nahverkehrs-Dieseltriebwagens des Herstellers ALSTOM LHB ausgewählt. Die betrachtete Struktur ist typisch für den Schienenfahrzeugbau und in dieser oder in ähnlichen Formen in vielen Stahl-Vollbahnwagen und Straßenbahnen zu finden. Aus dieser Struktur wurde ein Profilknoten als Grundlage der Untersuchungen bestimmt (Bild 1). Dieser besteht aus U-Profilen mit einer Ausklinkung aus dem Werkstoff S355J2G3 mit einer Blechdicke von 4 mm. Weiterhin wird ein Rahmen aus vier der Profilknoten als komplexe Struktur untersucht. Die ausgewählten Schweißnähte sind, wie im Antrag bereits vorgesehen, ausschließlich in nicht umgeformten Bereichen angeordnet.

Organisation des Paketantrags

Am 29.01.2008 fand in Düsseldorf die erste Sitzung des projektbegleitenden Ausschusses statt. Die Versuchsplanung, erste FE-Modelle und Ergebnisse wurden vorgestellt. Am 01.10.2008 fand in Salzgitter die zweite Sitzung des projektbegleitenden Ausschusses statt. Es wurden die Versuchsergebnisse des ersten Abschnittes der Untersuchungen sowie die Berechnungsergebnisse vorgestellt und die Einhaltung des ersten Meilensteines im Projektplan überprüft.

Bild 1: Trägerstruktur aus dem Wagenkastenuntergestell, Profilknoten

Folgende Arbeiten wurden bereits ausgeführt: Für die Überprüfung der Werkstoffdaten wurden Zugversuche an Proben aus den U-Profilen durchgeführt, sowie metallografische Schliffe des Grundmaterials erstellt.

Die Versuche zum Arbeitsschritt 3 des Projektplanes, das Fügen eines Knotens mittels einer Naht ohne äußere Verformungsbehinderung wurden durchgeführt. Hierzu wurde der Profilknoten an einem Arm fest eingespannt und die U-Profile mit einer Heftstelle aneinander fixiert. Es wurden die transienten Verzüge des Profilknotens während des Schweißens erfasst. Mit Hilfe der gemessenen Temperaturverläufe und erstellten Querschliffe der Nähte wurde die Wärmequelle des erstellten FE-Modells abgeglichen (Bild 2, 3). Das Temperaturfeld der Wärmequelle wurde berechnet.

Bild 2: metallografischer Querschliff und berechnetes Schmelzbad

Bild 3: Vergleich gemessener und berechneter Temperaturverläufe

Für die Beurteilung der Schweißnähte wurden aus allen angefertigten Proben Querschliffe entnommen. Alle Daten wurden als Referenzmodell den Projektpartnern zur Verfügung gestellt. Die gemessenen Verzüge wurden mit den berechneten verglichen (Bild 4).

Bild 4: gemessene und berechnete Verzüge

Für die Durchführung des Arbeitsschrittes 4 und 5 des Projektplanes wurde eine Drehvorrichtung mit Einspannmöglichkeit für die Profilknoten konstruiert, die den Fertigungsablauf bei Fa. ALSTOM LHB nachempfunden ist (Bild 5). Unter Verwendung der Vorrichtung wurden Schweißversuche mit fest eingespannten Profilknoten ausgeführt. Nach dem Ausspannen der Versuchsträger wurden die Endverzüge bestimmt. Für die FE-Berechnungen wurde ein entsprechendes FE-Modell realisiert. Über die Einspannsituation fand ein Austausch mit dem iwb statt, um die Untersuchungen in den Projekten zu koordinieren.

Bild 5: Drehvorrichtung mit Einspannmöglichkeit

Weiteres Vorgehen

Als nächster Schritt ist die Untersuchung des Einflusses einer Variation der Werkstoffkennwerte und der Werkstoffmodellierung („Sensibilität“) geplant. In diesem Arbeitsschritt erfolgt, im direkten Anschluss an die vorherigen Berechnungen, eine Abschätzung der Sensibilität der Berechnungsgrößen bei Änderung verschiedener Eingangsgrößen. Dies erlaubt eine weitgehende Bewertung und Absicherung der im vorigen Arbeitspunkt erreichten Berechnungsergebnisse.
Auf der Grundlage der vorangegangenen Arbeitsschritte wird nun die Komplexität des Bauteils schrittweise erhöht. Der bereits untersuchte Knoten wird mit einer stufenweise erhöhten Anzahl Schweißnähte gefügt. Dies erfolgt

Auch für diese Komplexitätsstufe erfolgen wieder eine experimentelle Erfassung der Wirkung und die rechnerische Untersuchung. Hierzu werden mittels Thermoelementen die auftretenden Temperaturen gemessen, um auch für die hinzugekommenen Schweißnähte die Wärmequelle zu kalibrieren. Entsprechend wird auch für die zusätzlichen Schweißnähte ein FE-Modell entwickelt.

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