Beitrag zur vereinfachten Eigenspannungsberechnung von Mehrlagenschweißverbindungen

Beschreibung

Eigenspannungen beeinflussen die Lebensdauer geschweißter Konstruktionen. Folglich ist die Kenntnis über den genauen Eigenspannungszustand bereits für die Auslegung von großem Interesse. Zerstörende Messverfahren sind nicht zielführend und zerstörungsfreie Verfahren für Tiefenprofile sind nur bedingt praxistauglich. Eine vielversprechende Alternative stellt die Virtualisierung der Konstruktion unter Verwendung der FEM dar. Im numerischen Modell lassen sich sämtliche Ergebnisse an jeder Stelle darstellen. Jedoch unterliegt die Berechnung mit der FEM gewissen Grenzen insbesondere bezüglich der Rechenzeiten, die der feinen Diskretisierung und der Nichtlinearität geschuldet sind und einen praktischen Nutzen vermissen lassen. Auf Anwenderseite wird diesem Problem oftmals mit radikalen Vereinfachungen der zu berechnenden Schweißaufgabe begegnet, die zwar zu handhabbaren Rechenzeiten aber gleichzeitig zu Ergebnisverlusten führen können. Im Fokus der Arbeit steht deshalb insbesondere die Frage welche Vereinfachungsstrategien bei der Schweißstruktursimulation anwendbar sind, wenn eine akzeptable Genauigkeit anwendungsnah erreicht werden soll. Hierzu wurden messtechnisch verifizierte Referenzmodelle erstellt. Anhand dieser Modelle wurden anschließend Ansätze steigenden Vereinfachungsgrades untersucht und deren Auswirkungen auf die Ergebnisqualität quantifiziert. Die numerisch untersuchten Vereinfachungen umfassen eine geometrische Skalierung der Ausgangsmodelle sowie die Anwendung aufgebrachter Temperaturzyklen und das Zusammenfassen einzelner Schweißraupen zu größeren Lagen. Es konnte gezeigt werden, dass die häufig verwendeten Vereinfachungsansätze für die Berechnung von Eigenspannungen und Verzügen nur bedingt und teilweise gar nicht zulässig sind.
Im Betrieb überlagern sich Eigenspannungen mit Lastspannungen und beeinflussen die Lebensdauer geschweißter Konstruktionen. Folglich ist die Kenntnis über den genauen Eigenspannungszustand bereits für die Auslegung von großem Interesse. Zerstörende Messverfahren der Eigenspannungsbestimmung sind insbesondere bei geringen Losgrößen nicht zielführend. Zerstörungsfreie Verfahren sind vorhanden und verbreitet, haben jedoch verfahrensspezifische Nachteile wie die begrenzte Auflösung. Eigenspannungsgradienten in Blechdickenrichtung lassen sich damit nicht bestimmen. Eine Alternative ist die Virtualisierung der Konstruktion unter Verwendung der Finite- Elemente-Methode (FEM). Die Anwendung der FEM ermöglicht prinzipiell Aussagen über Eigenspannungszustände an jeder Stelle des berechneten Modells, insbesondere an messtechnisch nicht zugänglichen Orten. Jedoch unterliegt die Eigenspannungsberechnung mit Hilfe der FEM gewissen Grenzen und Fehlerquellen, die der feinen Diskretisierung und der hochgradigen Nichtlinearität geschuldet sind. Bei der Berechnung von Mehrlagenschweißverbindungen steht man selbst bei hohen verfügbaren Rechenkapazitäten unabwendbar vor so hohen Rechenzeiten, dass ein praktischer Nutzen kaum noch erkennbar ist. Auf Anwenderseite wird diesem Problem oftmals mit radikalen Vereinfachungen der zu berechnenden Schweißaufgabe begegnet. Vereinfachungsansätze wie die Vermeidung hoher Diskretisierungsgrade, die Reduktion der Schweißlagen sowie semitransiente Berechnungen führen zwar zu handhabbaren Rechenzeiten, können aber auch zu Ergebnisgenauigkeiten führen, deren Qualität hinterfragt werden muss. Im Fokus der Arbeit steht deshalb insbesondere die Frage welche Vereinfachungsstrategien bei der Schweißstruktursimulation anwendbar sind, wenn eine akzeptable Genauigkeit anwendungsnah erreicht werden soll. Hierzu wurden messtechnisch verifizierte Referenzmodelle erstellt. Anhand dieser Modelle wurden anschließend Ansätze steigenden Vereinfachungsgrades untersucht und deren Auswirkungen auf die Ergebnisqualität quantifiziert. Die numerisch untersuchten Vereinfachungen umfassen eine geometrische Skalierung der Ausgangsmodelle sowie die Anwendung aufgebrachter Temperaturzyklen und das Zusammenfassen einzelner Schweißraupen zu größeren Lagen. Es konnte gezeigt werden, dass die häufig verwendeten Vereinfachungsansätze für die Berechnung von Eigenspannungen und Verzügen nur bedingt und teilweise gar nicht zulässig sind. Jedes Verfahren hat seine Grenzen und birgt Gefahren für den Anwender, wenn experimentell bestimmte Daten zur Validierung und Verifizierung nicht oder nur begrenzt zur Verfügung stehen. Das bedeutet, dass ein stark lokalisierter Abgleich von Experiment und Berechnung noch kein Beleg für die Richtigkeit der Rechenansätze sein muss, wenn auf eine verfeinerte experimentelle Bestimmung verzichtet wird.

Autor*in

Jakob Klassen

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