BTU auf einen Blick
Fakultät 3
Fachgebiet Füge- und Schweißtechnik Prof. Dr.-Ing. Klaus Schricker

Anwendungsnahe Simulation des thermischen Richtens

Projektträger: AiF, Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V (FOSTA)
FOSTA-Projekt-Nr.: P 1008 / IGF-Nr. 17970 BR
Laufzeit: 01.01.2014 – 30.06.2016
Ansprechpartner:Dr.-Ing. Doynov

Zusammenfassung

© ALSTOM Transport Deutschland GmbH, Salzgitter

Ein seit Jahrzehnten etabliertes Verfahren zur Beseitigung der Schweißverzuge ist das thermische Richten. Die unterschiedlichen Prozessparameter werden momentan anhand praktischer Erfahrungswerte gewählt. Der Einfluss konstruktiven Gegebenheiten, des Werkstoffs und der unterschiedlichen Richtverfahren ist jedoch so nur äußerst schwer erfassbar. Eine gesicherte Methode zur Bestimmung der Orte, der Reihenfolge und der exakten Prozessparameter für Großstrukturen kann dazu beitragen, die Kosten für thermische Nachbehandlungen signifikant zu senken.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines analytisch-numerischen Hybridmodells für die Verzugssimulation thermischer Richtverfahren. Hierfür muss ein vom Antragsteller entwickeltes Schrumpfkraftmodell zur Schweißverzugsberechnung angepasst bzw. erweitert werden. Grundlage werden kalibrierte systematisch durchgeführte thermomechanische FE-Simulationen und Analysen der sich ausbildenden plastischen Zonen unterschiedlicher Richtfiguren (Wärmekreis und Wärmestrich) sein. Darauf aufbauend sind die Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern der gängigen Richtverfahren (Flamm- und Induktionsrichten) und den Verformungsminderungen zu untersuchen. Die Ergebnisse fließen in die Erweiterungen der bestehenden und in die Ableitung neuer Erfassungsfunktionen des Schrumpfkraftmodells ein. 

Ergebnisse

Zur Bestätigung des Modells wurden Analysen und Berechnungen nach dem Schweißen und anschließenden Richten an Laborproben und an komplexen Strukturen durchgeführt. Darüber hinaus erfolgte die Untersuchung der qualitativen Interaktion zwischen dem thermischen Richten und dem Schweißverfahren und die Einbindung in die Berechnungsvorgehensweise. Die Anwendung des gekoppelten Hybridmodells fand zunächst an einfachen Blechstrukturen statt. Die berechneten Verzüge stimmten qualitativ stets mit den Erwartungen und den Experimenten überein. An einer komplexen Struktur, die durch 8 Nähte gefügt wurde, wurde die Berücksichtigung der Schweißreihenfolge, sowie der Richtfolge im gekoppelten Modell untersucht. Das Hybridmodell ist in der Lage, unterschiedliche Schweißszenarien und Richtszenarien z. B. Eigenspannungen, die sich bereits im Bereich der Schweißnaht befinden, zu berücksichtigen. Die zweite komplexe Struktur, die berechnet wurde, war ein komplexes Segment einer Wagonwand. Auf eine Grundplatte mit den Abmessungen 500 x 400 mm wurden 4 Profile der Dicke 2 mm mittels 16 Schweißnähten gefügt und anschließend mittels zweier unabhängiger Szenarien gerichtet. Die CPU-Rechenzeit der numerischen Berechnung an den Strukturen betrug in jedem Fall weniger als 10 min. Die Netzerstellung gestaltet sich ebenfalls wesentlich einfacher als bei einer durchgehenden thermomechanischen Schweißsimulation, da der extrem feinvernetzte nahtnahe und punktnahe Bereich sowie die Modellierung der Schweißnaht sowie des Richtpunktes entfällt. Sind bereits CAD-Modelle der Konstruktionen vorhanden, können diese für die Vernetzung und anschließende Berechnung der Schweißverformung genutzt werden. Bestehen bereits vernetzte Modelle, bspw. aus mechanischen Analysen oder Umformsimulationen, gibt es die Möglichkeit, diese direkt für die Anwendung des gekoppelten Hybridmodells zu nutzen.

Anwendungsmöglichkeiten

Mit der erreichten Vereinfachung der Simulationsanwendung und Reduzierung des Simulationsaufwandes ohne Qualitätsverlust sind die Forschungsergebnisse für die mittelständische Zulieferindustrie sowie für die Ingenieurbüros von besonderem Interesse, da das Kosten/Nutzenverhältnis verbessert wird. Zusätzlich sind solche KMU an erweiterten Einsatzmöglichkeiten der bereits vorhandenen Software stark interessiert. Diese Möglichkeiten sind auch für die Großindustrie von Belange, da sie die Ingenieurbüros und Kleinunternehmen mit Simulationsaufgaben schon heute beauftragt und stärker beauftragen möchte. Weiterhin wird das Berechnungsverfahren, inklusive der benötigten Kennwerte für die gängigen Werkstoffe, zur Erstellung einer DVS-Richtlinie bei der Arbeitsgruppe I 2 „Simulation und Modellierung” des DVS - Deutschen Verbandes für Schweißen und verwandte Verfahren e. V. eingereicht.

Projektbegleitenden Ausschuss

Das Forschungsvorhaben wurde unter Mitwirkung eines projektbegleitenden Ausschusses, bestehend aus Fachleuten der nachstehend genannten Unternehmen und Industrie durchgeführt: 

Herr Dipl.-Ing. P. Bernardy, Meyer Werft GmbH

Herr Dr.-Ing. B. Boese, ALSTOM Transport Deutschland GmbH

Herr Dipl.-Ing. C. A. Seidel, ALSTOM Transport Deutschland GmbH

Herr Dipl.-Ing. T. Heitkamp, ALSTOM Transport Deutschland GmbH

Herr Dr.-Ing. C. Steinbeck-Behrens, CADFEM GmbH

Herr Dipl.-Ing. C. Groth, CADFEM GmbH

Herr Dipl.-Ing. T. Görgen, CADFEM GmbH

Herr Dipl.-Ing. K. Freytag, Kranbau Köthen GmbH

Herr Dipl.-Wi.-Ing.(FH) S. Priebe, Kranbau Köthen GmbH

Herr Dipl.-Ing. M. Brinkmann, Flensburger Schiffbaugesellschaft mbH&Co.Kg

Herr Dipl.-Ing. Michael Vogel, ESI GmbH

Herr Dipl. Ing. Olaf Kopplin, Gothaer Fahrzeugtechnik GmbH

Herr Dr.-Ing. Dmitrii Tikhomirov, INPRO GmbH 

Herr Dipl.-Ing. Detlef Scholdan, ELH Eisenbahnlaufwerke Halle GmbH & Co. KG

Veröffentlichungen

  • Doynov N., Kuke F., Michailov V.G.: Thermal straightening simulation of welded structures, Proc. of METEC & 2nd ESTAD 2015

  • Kuke, F., Doynov, N., Michailov, V.: Analytisch-numerisches Hybridmodell zur Verzugssimulation beim Flammenrichten von Großstrukturen, CAD FEM User´s Meeting 2015

  • Kuke, F., Doynov, N., Michailov, V.: Analytisch-numerische Berechnungsvorgehensweise zur Verzugssimulation beim thermischen Richten geschweißter Konstruktionen, Tagungsband Abstracts ESI SACH Forum 2015

  • Kuke,F., Doynov, N., Michailov, V.: Anwendungsnahe Schweißverzugssimulation von Großstrukturen (Poster) DVS-Kongress 2015

  • Doynov, N., Kuke, F., Michailov, V.G.: Anwendungsnahe Simulation des thermischen Richtens, Tagungsband 16. Tagung Schweißen in der maritimen Technik und im Ingenieurbau 20./21. April 2016 Hamburg, Verl. SLV Nord, 2016, S. 78–88

  • Doynov N., Kuke F., Michailov V.G.: Analytical-numerical modelling approach for calculation of the structural distortions after welding and thermal straightening, Abstract proc. of THERMEC 2016

  • Michailov V. G., Doynov N.: Analytical-numerical modeling approach for calculation of the structural distortions after welding and thermal straightening, Journal of Mechanics Engineering and Automation 6 (2016), 217-226, doi: 10.17265/2159-5275/2016.05.001

Abschlussbericht: Michailov, V.G., Doynov, N., Kuke, F.: Anwendungsnahe Simulation des thermischen Richtens, P 1008 FOSTA Berichte, Düsseldorf, Verl. und Vertriebsges. mbH (wird geduckt)


Das Forschungsvorhaben mit IGF-Nr. 17970 BR der AiF-Forschungsvereinigung “FOSTA -Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V.” Wird im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom BMWi aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.