Visual Weld - Tl-ing.de
Visual Weld - Tl-ing.de
Visual Weld - Tl-ing.de
Erfolgreiche ePaper selbst erstellen
Machen Sie aus Ihren PDF Publikationen ein blätterbares Flipbook mit unserer einzigartigen Google optimierten e-Paper Software.
Schweißsimulation in <strong>de</strong>r<br />
industriellen Anwendung<br />
C o u r t e s y<br />
D o o s a n<br />
Ingenieurbüro Tobias Loose<br />
Herdweg 13<br />
D-75045 Wöss<strong>ing</strong>en (Lkr. Karlsruhe)<br />
e-mail: loose@tl-<strong>ing</strong>.<strong>de</strong><br />
Tel: +49 (0) 176 6126 8671<br />
Dr.-Ing. Tobias Loose<br />
19. Mai 2011<br />
1
Bausteine <strong>de</strong>r Schweißsimulation<br />
Geometrie<br />
Schweißbrenner<br />
Schweißbrenner<br />
Wärmeeintrag<br />
Werkstoff<br />
Materialeigenschaft,<br />
Umwandlungsverhalten<br />
Prozeß<br />
Nahtfolge, Wärmebehandlung,<br />
Spannvorrichtung<br />
2
Herzstück <strong>de</strong>r Schweißsimulation<br />
30 Jahre<br />
Entwicklung und<br />
Erfahrung in <strong>de</strong>r<br />
Schweißsimulation<br />
SYSWELD<br />
Validiert<br />
Solver<br />
optimiert für<br />
Schweißen und Wärmebehandlung<br />
3
Leistungsmerkmale <strong>de</strong>s Sysweld Solvers<br />
• Kopplung von Elektrokinetik - Temperatur - Gefügeumwandlung<br />
und Strukturmechanik<br />
• Gefügeumwandlung isotherm und bei kontinuierlicher<br />
Temperaturän<strong>de</strong>rung, Austhenitisierung, Korngrößenwachstum,<br />
• Diffusionsberechnung: Aufkohlung, Wasserstoffdiffusion<br />
• Automatische Wärmequellenkalibrierung<br />
• Freie, netzunabhängige, Bahnbeschreibung <strong>de</strong>r Schweißwärmequelle<br />
• Berücksichtigung <strong>de</strong>r Gefügeumwandlung und <strong>de</strong>ren Einflüsse bei<br />
<strong>de</strong>r strukturmechanischen Berechnung<br />
• Wärmebehandlung, Spannungsarmglühen<br />
4
• Lichtbogenschweißverfahren<br />
• Strahlschweißverfahren<br />
• Punktschweißen<br />
• Wi<strong>de</strong>rstandschweißen<br />
Schweißverfahren<br />
5
Validierung<br />
S355<br />
316L<br />
6
Schweißstruktursimulation<br />
Mo<strong>de</strong>llierungsablauf<br />
Metho<strong>de</strong> <strong>de</strong>r<br />
Finiten Elemente<br />
FEM<br />
Geometriebeschreibung<br />
<strong>de</strong>s Bauteils - CAD<br />
Einteilung in Finte Elemente<br />
Vernetzen<br />
Werkstoff<br />
Materialeigenschaften<br />
Schweißen<br />
Definition <strong>de</strong>r Ersatzwärmequelle<br />
Prozeß und Setup<br />
Materialzuweisung, Schweißfolge,<br />
Spannvorrichtung, äußere Lasten<br />
7
Materialdaten<br />
8
Materialdaten<br />
Während <strong>de</strong>s Schweißens än<strong>de</strong>rt sich<br />
bei vielen Werkstoffen das Gefüge<br />
und damit auch die Festigkeit, also die<br />
für die FEM Berechnung notwendige<br />
Beschreibung <strong>de</strong>r<br />
Spannungs-Dehnungsbeziehung<br />
Mikroschliff von:<br />
Folglich wer<strong>de</strong>n die Materialdaten<br />
nicht nur in Abhängigkeit <strong>de</strong>r<br />
Temperatur son<strong>de</strong>rn auch in<br />
Abhängigkeit <strong>de</strong>s Gefüges benötigt<br />
und erfor<strong>de</strong>rn eine Beschreibung <strong>de</strong>r<br />
Gefügeumwandlung.<br />
9
SYSWELD Material Database Manager<br />
Beschreibung <strong>de</strong>r<br />
Gefügeumwandlung<br />
Thermodynamisch<br />
Kennwerte<br />
Wärmeleitfähigkeit<br />
Dichte<br />
Spezifische Wärmekapazität<br />
Enthalpie<br />
Mechanische Kennwerte<br />
E-Modul<br />
Streckgenze<br />
Verfestigung<br />
Thermische Dehnung<br />
Querkontraktion<br />
10
Beschreibung <strong>de</strong>r Gefügeumwandlung<br />
Die Gefügeumwandlung kann durch das Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov-Mo<strong>de</strong>ll<br />
(JMAK) erfolgen. Leblond hat das Mo<strong>de</strong>ll auf die Berücksichtigung unvollständiger<br />
Umwandlungen erweitert.<br />
Mo<strong>de</strong>ll nach Leblond:<br />
dP i<br />
T <br />
dt<br />
= P eqT −P i<br />
T <br />
T <br />
Automatische<br />
ZTU-Definition<br />
mit SYSWELD<br />
11
SYSWELD<br />
Phase-Transformation Calibration Manager<br />
Der SYSWELD<br />
Phase-Transfomation<br />
Calibration Manager<br />
ermöglicht mit einem<br />
implementierten<br />
Algorithmus in<br />
anwen<strong>de</strong>rfreundlicher<br />
Weise ein zügiges<br />
automatisches Erstellen <strong>de</strong>r<br />
numerischen<br />
Umwandlungsbeschreibung<br />
12
aktueller Stand <strong>de</strong>r Materialdatenbibliothek<br />
für SYSWELD<br />
DP-W-600<br />
TRIP700Z<br />
DC04<br />
S355<br />
516_Gra<strong>de</strong>_70<br />
X80TA1050<br />
Nirosta_H400<br />
X20Cr13<br />
X5CrNi1810<br />
CF35<br />
316L<br />
16MnCr5<br />
100Cr6<br />
INCONEL718<br />
INCONEL Alloy 82<br />
MONEL400<br />
Ecodal_608<br />
AlMgSi-Wire-AlMgSi<br />
AlMgMn-Wire-AlMgSi<br />
AlMgMn-Wire-AlMgMn<br />
Vor<strong>de</strong>finierte Materialien im<br />
SYSWELD<br />
Material Database Manager<br />
13
Wärmequellenbeschreibung<br />
14
Prozeßsimulation - Struktursimulation<br />
Schweiß-Prozeßsimulation<br />
Fluiddynamische Berechnung<br />
Vorgänge im Schmelzbad<br />
Temperatur, Strömung, Durchmischung<br />
Ersatzwärmequelle<br />
SIMWELD<br />
Schweiß-Struktursimulation<br />
Thermomechanische FEM Berechnung<br />
Vorgänge im gesamten Bauteil<br />
Temperatur, Verformung, Spannungen<br />
SYSWELD<br />
15
Schweißprozeßsimulation - Simweld<br />
16
Schweißprozeßsimulation - Simweld<br />
17
Wärmequellenbeschreibung<br />
Ersatzwärmequelle<br />
Die Ersatzwärmequelle<br />
beschreibt nicht <strong>de</strong>n realen<br />
Wärmeeintrag son<strong>de</strong>rn<br />
einen äquivalenten<br />
Wärmeeintrag.<br />
doppelt-halbellipsoi<strong>de</strong><br />
Volumenwärmequelle<br />
Effekte wie z.B. <strong>de</strong>r<br />
Wärmetransport durch die<br />
Schmelzbadströmung<br />
können durch die Funktion<br />
<strong>de</strong>r Ersatzwärmequelle<br />
abge<strong>de</strong>ckt wer<strong>de</strong>n.<br />
für Lichtbogenschweißen<br />
Für die Berschreibung <strong>de</strong>r Ersatzwärmequelle kann je<strong>de</strong> beliebige mathematische<br />
Funktion verwen<strong>de</strong>t wer<strong>de</strong>n<br />
18
Wärmequellenbeschreibung<br />
Ersatzwärmequelle<br />
SW2SW Schnittstelle zwischen Simweld und Sysweld liefert:<br />
●<br />
Nahtgeometrie<br />
●<br />
Beschreibung <strong>de</strong>r Ersatzwärmequelle<br />
Kalibrierung <strong>de</strong>r Ersatzwärmequelle<br />
anhand vorhan<strong>de</strong>ner Schliffbil<strong>de</strong>r mit Hilfe einer<br />
Kalibrierungsroutine: findqr von Marcus Brand<br />
Kalibrierung <strong>de</strong>r Ersatzwärmequelle<br />
in <strong>Visual</strong> <strong>Weld</strong> anhand<br />
geschätzter Schmelzbadabmessung<br />
und e<strong>ing</strong>ebrachter Streckenenergie<br />
19
Prozeß und Setup<br />
20
<strong>Visual</strong> <strong>Weld</strong><br />
<strong>Weld</strong>line:<br />
Trajektorienenlemente<br />
und Gruppen wer<strong>de</strong>n<br />
automatisch erzeugt<br />
21
<strong>Visual</strong> <strong>Weld</strong><br />
Navigator:<br />
geführte<br />
Datene<strong>ing</strong>abe<br />
mit<br />
Vollständigkeitscheck<br />
22
<strong>Visual</strong> <strong>Weld</strong><br />
Material: Gruppen für Grundwerkstoff o<strong>de</strong>r Schweißzusatz wer<strong>de</strong>n<br />
automatisch gefun<strong>de</strong>n, schnelle Zuweisung <strong>de</strong>r Materialdaten aus<br />
vorbereiteter Materialdatenbank.<br />
23
<strong>Visual</strong> <strong>Weld</strong><br />
Schweißnaht:<br />
schnelle Zuweisung <strong>de</strong>r<br />
Nahtparameter<br />
automatische Kalibrierung<br />
für alle gängigen<br />
Schweißverfahren<br />
Für ein- und Material: mehrlagige Nähte<br />
o<strong>de</strong>r<br />
Verwendung einer<br />
auskalibrierten<br />
Wärmequellenfunktion<br />
24
<strong>Visual</strong> <strong>Weld</strong><br />
Spannvorrichtung<br />
zeitabhängig<br />
<strong>de</strong>finierbar<br />
Än<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>r<br />
Einspannsituation<br />
während<br />
und nach <strong>de</strong>m<br />
Schweißen<br />
möglich<br />
25
<strong>Visual</strong> <strong>Weld</strong><br />
Lasten und<br />
e<strong>ing</strong>eprägte<br />
Verformungen:<br />
E<strong>ing</strong>abe von<br />
Belastungen<br />
vor, während,<br />
nach <strong>de</strong>m<br />
Schweißen<br />
mit Zeit- und<br />
ortsabhängigen<br />
Funktionen<br />
kombinierbar<br />
26
<strong>Visual</strong> <strong>Weld</strong><br />
Mo<strong>de</strong>l check<br />
Computation Manager:<br />
Solverstart für<br />
Mono CPU o<strong>de</strong>r DMP Solver<br />
27
Beispiele<br />
28
Wurzelriß an mehrlagiger Naht<br />
C o u r t e s y E P R I<br />
29
Clad - Wärmebehandlung - Mehrlagennaht<br />
508: niedrieglegierter Baustahl<br />
309: austenitischer Stahl<br />
Inconel 690: austenitischer Stahl<br />
Bar<br />
Inconel 690<br />
Annealed<br />
309 Cladd<strong>ing</strong><br />
<strong>Weld</strong>s<br />
508 Base<br />
Material<br />
Panel<br />
Inconel 690<br />
Filler<br />
30
Process Overview<br />
Cladd<strong>ing</strong><br />
<strong>Weld</strong><strong>ing</strong><br />
Heat<br />
Treatment<br />
Activation<br />
of the bar<br />
Cool<strong>ing</strong><br />
31
Stresses in <strong>Weld</strong> Direction (y) After<br />
Cladd<strong>ing</strong><br />
Tensile<br />
Stresses in the<br />
Clad Layer<br />
32
Stresses in <strong>Weld</strong> Direction at the End of Heat<br />
Treatment, still at Heat TreatmentTemperature<br />
33
Stresses in <strong>Weld</strong> Direction at the End of Heat Treatment,<br />
still at Heat Treatment Temperature – Other Scal<strong>ing</strong><br />
Other Scal<strong>ing</strong>,<br />
from -80 to 120<br />
N/mm2<br />
34
Stresses in <strong>Weld</strong> Direction at the End<br />
of Temper<strong>ing</strong>, after Cool<strong>ing</strong><br />
Before Heat<br />
Treatment,<br />
Same<br />
Scal<strong>ing</strong><br />
35
Martensite Formation un<strong>de</strong>r The Clad Layer<br />
Due to Conductive Cool<strong>ing</strong> after <strong>Weld</strong> 1<br />
36
<strong>Weld</strong> 2: Still MS Formation but Less,<br />
and Temper<strong>ing</strong> of Previous <strong>Weld</strong><br />
37
After <strong>Weld</strong> 3: Enough Preheat<strong>ing</strong><br />
and Additional Temper<strong>ing</strong> of MS – No more MS
Stresses in <strong>Weld</strong> Direction at the End of<br />
<strong>Weld</strong><strong>ing</strong>
Stresses in <strong>Weld</strong> Direction at the End of<br />
<strong>Weld</strong><strong>ing</strong>
Große Mo<strong>de</strong>lle<br />
41
DMP - Parallelisierung<br />
S e v e r a l e x e c u t i o n s ( p r o c e s s ) o f<br />
S Y S W E L D c a n b e l a u n c h e d o n<br />
d i f f e r e n t p r o c e s s o r s a n d o n<br />
d i f f e r e n t m a c h i n e s .<br />
A d v a n t a g e s<br />
A u t o m a t i c p a r t i t i o n i n g i n X s u b d o m a i n s<br />
w i t h t h e m e t h o d « M E T I S »<br />
M e m o r y i s s h a r e d b e t w e e n t h e d i f f e r e n t<br />
p r o c e s s o r s<br />
S p e e d u p i s i n c r e a s e d a c c o r d i n g t o t h e<br />
n u m b e r o f p r o c e s s o r s u s e d<br />
P a r t i t i o n i n g i n 4<br />
d o m a i n s<br />
42
DMP Speed up<br />
1 0<br />
8<br />
S p e e d U p<br />
6<br />
4<br />
C P U S Y S W E L D<br />
E L A P S E S Y S W E L D<br />
2<br />
0<br />
0 4 8 1 2 1 6 2 0 2 4 2 8 3 2 3 6<br />
N b r P r o c e s s o r s<br />
Signifikante Reduktion <strong>de</strong>r Berechnungszeit<br />
Mo<strong>de</strong>ll mit 300.000 Knoten < 1 Woche möglich<br />
43
Ersatzmetho<strong>de</strong>n<br />
M e t h o d s<br />
E n g i n e e r i n g D o m a i n<br />
P r o d u c t s<br />
S<br />
h r i n k a g e<br />
L o c a l - G<br />
l o b a l<br />
F u l l P h y s i c s o n t h e<br />
G l o b a l M o d e l<br />
D i s t o r t i o n<br />
E n g i n e e r i n g<br />
D i s t o r t i o n<br />
E n g i n e e r i n g<br />
W e l d Q u a l i t y ( l o c a l )<br />
W e l d Q u a l i t y &<br />
R e s i d u a l S t r e s s e s<br />
D i s t o r t i o n E n g .<br />
W e l d P l a n n e r<br />
P r o f e s s i o n a l<br />
P a c k a g e<br />
P A M A s s e m b l y<br />
P a c k a g e<br />
W e l d i n g P a c k a g e<br />
44
Lokal-Global Metho<strong>de</strong><br />
Speichern in<br />
Datenbank für<br />
lokale Mo<strong>de</strong>lle<br />
Globales<br />
Mo<strong>de</strong>ll<br />
Ergebnisübertrag<br />
aus lokalem Mo<strong>de</strong>ll<br />
Definition<br />
Schweißfolge<br />
und<br />
Festhaltung<br />
Ergebnis<br />
extrahieren<br />
Berechnung<br />
lokales Mo<strong>de</strong>ll<br />
Arbeitsablauf<br />
Definition<br />
lokales Mo<strong>de</strong>ll<br />
Berechnung<br />
globales Mo<strong>de</strong>ll<br />
Entgültiger<br />
Schweißverzug<br />
Geo, Process, Fixture,…<br />
CAD<br />
45
Lokal-Global Metho<strong>de</strong><br />
Datenbank für lokale Mo<strong>de</strong>lle<br />
46
Lokal-Global Metho<strong>de</strong><br />
•<strong>Weld</strong> Plan zur Prozeß<strong>de</strong>finition<br />
•Berücksichtigung von Mehrlagennähten<br />
•Berücksichtigung teilgefüllter Mehrlagennähte<br />
47
Lokal-Global Metho<strong>de</strong><br />
Validierung Schweißversuch<br />
Original position<br />
Measured distortion<br />
Predicted distortion<br />
Too<br />
l<br />
bar<br />
s<br />
Output<br />
Console<br />
Verzogene Struktur SYSWELD Vorausberechung Validation Plot<br />
PAM-Assembley<br />
Beispiel aus <strong>de</strong>m Schiffbau (Courtesy CTC)<br />
48
Lokal-Global Metho<strong>de</strong><br />
7<br />
Validierung Rippenplatte<br />
6<br />
2<br />
4<br />
3<br />
2<br />
5<br />
4<br />
7<br />
5<br />
1<br />
3 ,0 0 0<br />
3<br />
9<br />
3 ,0 0 0<br />
8<br />
1<br />
3 ,0 0 0<br />
8<br />
9<br />
3 ,0 0 0<br />
6<br />
Max <strong>de</strong>flexion<br />
23.4 mm<br />
Max <strong>de</strong>flexion<br />
22.2 mm<br />
Experiment :<br />
23.8 mm<br />
Sequence 1 Sequence 2<br />
49
Schrumpfkraft Metho<strong>de</strong><br />
50
Schrumpfkraft Metho<strong>de</strong><br />
51
Schrumpfkraft Metho<strong>de</strong><br />
Geheftete und<br />
geschweißte Platte<br />
1000 x 1000 mm<br />
Einfluß <strong>de</strong>r<br />
Schweißrichtung?<br />
Berechnung<br />
in wenigen<br />
Minuten<br />
52
Schrumpfkraft Metho<strong>de</strong><br />
Der Querträgersteg einer ortotropen Platte (Brücken<strong>de</strong>ck) wird mit <strong>de</strong>m<br />
Untergurt, <strong>de</strong>m Fahrbahnblech und <strong>de</strong>m Gehwegblech verschweißt.<br />
Welche<br />
Schweißfolge<br />
liefert <strong>de</strong>n<br />
ger<strong>ing</strong>ste<br />
n Verzug?<br />
Schweißnaht<br />
Steg - Geheweg<br />
Schweißnaht<br />
Steg - Untergurt<br />
Schweißnaht<br />
Steg - Fahrbahn<br />
53
1. Folge: UG - Gehweg - Fahrbahn<br />
max u z<br />
= 10,4 mm<br />
54
2. Folge: Gehweg -UG - Fahrbahn<br />
max u z<br />
= 8,6 mm<br />
55
3. Folge: Gehweg - Fahrbahn - UG<br />
max u z<br />
= 5,2 mm<br />
Optimale Schweißfolge !<br />
Aufwand: ca. 15 min<br />
bei vorhan<strong>de</strong>nem Finite-Element Mo<strong>de</strong>ll<br />
56
Vielen Dank!<br />
57