CLUSTER ANWENDUNGSNAHE SCHWEISSSIMULATION KOMPLEXER STRUKTUREN PRÄAMBEL

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1 CLUSTER ANWENDUNGSNAHE SCHWEISSSIMULATION KOMPLEXER STRUKTUREN PRÄAMBEL In diesem Cluster werden von fünf Forschungsstellen aufeinander abgestimmte Forschungsanträge gestellt. Hiermit wird auf einen Forschungsbedarf reagiert, der durch eine im Auftrag des Deutschen Verbandes für Schweißen und verwandte Verfahren (DVS) im Jahre 2004 abgeschlossene Studie mit dem Titel Fügeprozesssimulation Innovative Anwendungen der Informatik ermittelt wurde. Aufgrund des identifizierten Forschungsbedarfs wurde durch mehrere Forschungsvereinigungen der AiF ein neuer Fachausschuss zum Thema Anwendungsnahe Schweißsimulation gegründet. Die Vertreter der hieran beteiligten Industrieunternehmen haben einen deutlichen Bedarf an praxistauglichen Methoden zur Berechnung komplexer Konstruktionen formuliert. 1. Ausgangssituation Die frühzeitige und rechnerische Ermittlung des Schweißverzugs bereits in der Konstruktionsphase besitzt hohes Potential, durch die Optimierung von Fertigungsabläufen Einsparungen zu erreichen. Die Schweißsimulation ist mit den heute zur Verfügung stehenden Methoden, zumindest an einfachen Geometrien und unter idealisierten Prozessbedingungen, ein in der Forschung akzeptiertes Werkzeug zur Vorhersage von Gefüge, Verzug und Eigenspannungen. Es existieren hierzu kommerzielle Softwareprodukte wie z.b. SYSWELD, ANSYS, ABAQUS oder MARC, mit Hilfe welcher Schweißprozesse mit unterschiedlichem Detaillierungsgrad abgebildet werden können. Diese simulationsgestützten Vorgehensweisen finden aber bisher nur in Ausnahmefällen Eingang in die industrielle Praxis. Eine Ursache hierfür sind die stark ansteigenden Berechnungszeiten der etablierten transienten Methoden für komplexe Bauteile und -gruppen, welche häufig mit mehreren oder langen Schweißnähten ausgeführt werden. Die Rechenzeiten können im Bereich einiger Wochen oder gar Monate liegen und verhindern daher bis heute den wirtschaftlichen Einsatz der Schweißsimulation. Das Schweißen bzw. Fügen ist das Bindeglied zwischen den einzelnen Fertigungsprozessen, und die Berücksichtung realer Fertigungsrandbedingungen, wie sie sich durch das Spannen oder Heften der Fügeteile oder durch eine schnelle Abfolge mehrerer örtlich benachbarter Schweißnähte ergeben, stellen derzeit große Herausforderungen an die numerische Modellierung dar. Dies betrifft aber auch die Berücksichtigung vorgelagerter Prozesse, wie z.b. die des Umformens. Die vorhandenen und in der Forschung etablierten Modellierungsmethoden benötigen, vor allem aufgrund der von der Temperatur und im Falle umwandelnder Werkstoffe auch von der Temperaturgeschichte abhängigen Werkstoffeigenschaften eine große experimentelle Datenbasis. Die Ermittlung geeigneter Daten verursacht hohe Kosten und erschwert dadurch den wirtschaftlichen Einsatz der Schweißsimulation. 2. Forschungsbedarf und Zielstellung Aus den Ergebnissen der DVS-Studie und der Diskussion auf der konstituierenden Sitzung des neuen Gemeinschaftsausschusses ergibt sich der im Folgenden beschriebene Forschungsbedarf: Aus industrieller Sicht ist die Entwicklung neuer und die Validierung bzw. Weiterentwicklung bestehender Methoden zur Rechenzeitreduzierung wünschenswert und notwendig, um den wirtschaftlichen Einsatz der Schweißsimulation für komplexe Strukturen zu ermöglichen. Dies kann z.b. durch

2 die Entwicklung von geeigneten Ersatzmodellen oder durch eine Verbesserung und Validierung vorhandener Techniken geschehen. Bei der Reduktion etablierter Modelle muss stets das Risiko eines Funktionsverlusts beachtet werden. Eine methodische Untersuchung des Gültigkeitsbereichs effizienter Vorgehensweisen, wie im voraussichtlich Ende des Jahres anlaufenden und von der Forschungsvereinigung Stahlanwendungen FOSTA e.v. geförderten Vorhabens Untersuchung der strukturellen Stabilität von Modellen zur Schweißverzugssimulation bei Stahlwerkstoffen vorgesehen, ist im Rahmen des Clusters ebenfalls angedacht. Die Zielsetzungen der beiden Forschungsvorhaben ergänzen sich, ohne dass allerdings eine thematische Überschneidung erreicht wird. So soll innerhalb des Clusters ein noch höherer Komplexitätsgrad der betrachteten Geometrien realisiert werden. Darüber hinaus werden innerhalb des FOSTA-Projekts ausschließlich Stahlwerkstoffe und Laserschweißprozesse untersucht, wohingegen im Cluster auch Aluminium- Bauteile und in erster Linie MIG-Schweißverfahren Gegenstand der Untersuchungen sind. Eine nahtnahe Einspannung hat einen starken Einfluss auf das Temperaturfeld. Sie ist zugleich als wesentliche Randbedingung zur Ausbildung von Verzug und Eigenspannungen im geschweißten Bauteil anzusehen. Die Wirkungen verschiedener Spanntechniken und ihre Modellierung, vor allem im Bereich mechanischen Simulation, sind bisher nicht umfassend untersucht. Eine Reduzierung des Aufwandes zur Ermittlung temperaturabhängiger Werkstoffkennwerte ist wichtig und vorrangig dadurch möglich, dass detaillierte Erkenntnisse zur Abhängigkeit der Berechnungsergebnisse von diesen Eingangsgrößen, d.h. deren Sensibilität, existieren. Hier besteht Forschungsbedarf. Aktuelle Forschungsanträge beschäftigen sich mit diesem Problem ausschließlich vor dem Hintergrund von Probekörpern. Eine Erweiterung ist notwendig, da eine Übertragung dieser Ergebnisse auf komplexe Strukturen bisher nicht untersucht wurde und eine Abhängigkeit von der Geometrie wahrscheinlich ist. Ansätze zur numerischen Beschreibung des Umwandlungsverhaltens an artgleich verschweißten Werkstoffen liegen in vereinfachter Form in unterschiedlichen Programmpaketen vor. Mischverbindungen und das Wiederaufschmelzen bei Mehrlagenschweißverbindungen ist bisher nicht umfassend untersucht worden. Die Auswirkungen verschiedener Detaillierungsgrade der Werkstoffsimulation auf das Verzugsergebnis sind nur für bestimmte Anwendungen systematisch untersucht worden. Zur Berücksichtigung der Eigenspannungen, der Werkstoffverfestigung und des Gefügezustandes aufgrund vorgelagerter Prozesse, wie z.b. des Umformens, existieren in einigen Softwareprodukten Schnittstellen. Umformsimulationen werden üblicherweise auf Schalenelementen ausgeführt. Eine Übertragung auf das in vielen Fällen von der Schweißsimulation benötigte Netz aus Volumenelementen konnte bereits exemplarisch realisiert werden (s. Abschlussbericht zum FOSTA- Projekt P567). Allerdings können die Anforderungen der Industrie im Hinblick auf effiziente Vorgehensweisen zur Kopplung unterschiedlicher Fertigungsprozesse durch die hier vorgestellte Methodik noch nicht erfüllt werden. In den meisten Fällen wird die Schweißsimulation bisher für isolierte, einlagige Nähte ausgeführt. Zur Wechselwirkung mehrerer örtlich und zeitlich benachbarter Schweißungen in Bauteilen existieren nur wenige Erkenntnisse. Auch für das Heften, in vielen Fertigungen häufig zur vorbereitenden Fixierung der Bauteile vor dem stoffschlüssigen Fügen angewendet, liegen keine detaillierten Ergebnisse vor. Nachgeschaltete Prozesse, wie z.b. Richtvorgänge oder das Strahlen, können die Eigenschaften des Bauteils deutlich verändern. Die Diskussion im Fachausschuss ergab jedoch, dass zwar die rechnerische Abbildung der gesamten Prozesskette als langfristiges Ziel der Arbeiten gesehen wird, aber, vor dem Hintergrund des Standes der Technik, für aktuelle Forschungsprojekte eine Beschränkung auf die Fertigungsschritte bis zum Vorliegen des Schweißergebnisses gewünscht wird. Eine Neu- oder Weiterentwicklung von Prozessmodellen für verschiedene Schweißverfahren wurde durch den Fachausschuss explizit aus dem Forschungsbedarf ausgeklammert. Forschungspro-

3 jekte zu diesen Themen sollen weiterhin durch die zuzuordnenden Fachausschüsse der verschiedenen Mitgliedsvereinigungen behandelt werden. Die geplanten Arbeiten gehen daher von der Verwendung äquivalenter Ersatzwärmequellen aus. In der Diskussion der konstituierenden Sitzung des Gemeinschaftsausschusses wurde die Verzugsberechnung durch die Industrievertreter deutlich in den Vordergrund gestellt. Daher werden die oben dargestellten Aspekte im Hinblick auf ihre Relevanz für die Verzugsberechnung untersucht. Häufig wird aus industrieller Sicht die schlechte Bedienbarkeit der vorhandenen Softwareprodukte bemängelt. Dieses stellt jedoch keinen direkten Forschungsbedarf dar, sondern kann nur als Aufgabe der Softwarehäuser verstanden werden. Eine Entwicklung von Optimierungsalgorithmen ist nicht Gegenstand dieses Clusters. Die Existenz effizienter Berechnungsverfahren versetzt vielmehr den Konstrukteur frühzeitig in die Lage, verschiedene Maßnahmen zur Verzugsminimierung rechnerisch zu bewerten. Weiterhin ist die Existenz effizienter Berechnungsverfahren eine wesentliche Voraussetzung für den Einsatz vorhandener Optimierungsalgorithmen. Auf der Grundlage des geäußerten Forschungsbedarfes wurde das im Folgenden vorgestellte Arbeitsprogramm definiert und zu einem Cluster verknüpft, das aus Sicht der beteiligten Forschungsstellen die wesentlichen oben genannten Aspekte umfasst. Die vorgesehenen Arbeiten behandeln die folgenden, im Abschnitt 3 genauer beschriebenen, Punkte: Methoden zur Simulation großer Baugruppen Modellierung von Einspannungen bzw. von Heftvorgängen Reduzierung von Experimenten durch Kenntnis der Sensibilität der Verzugsberechnung auf Änderungen der Werkstoffkennwerte am Beispiel einer komplexen Struktur Berücksichtigung vorgelagerter Umformschritte Insgesamt ergeben sich durch die geplanten Arbeiten folgende Teilprojekte: 1. Verbesserung der Verfahren zur Verzugsberechnung an einer lichtbogengeschweißten komplexen Trägerstruktur aus dem Schienenfahrzeugbau Institut für Füge- und Schweißtechnik der TU Braunschweig (ifs) 2. Effiziente numerische Schweißsimulation großer Strukturen Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik, Freiburg (IWM) 3. Simulationsgestützte bauteilbezogene Analyse industriell relevanter Einspannsituationen beim Schweißen Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften, TU München (iwb) 4. Hybride Modelle zur rechnergestützten Verzugsvorhersage und -minimierung von Großstrukturen Lehrstuhl Fügetechnik, BTU Cottbus (LFT) 5. Untersuchung der mechanischen Vorbelastung umgeformter Halbzeuge in der Schweißsimulation am Beispiel eines IHU Rohres aus der Automobilindustrie Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt München (SLV München)

4 3. Methodisches Vorgehen Zentraler Bestandteil der beabsichtigten Forschungsarbeiten sind experimentelle und rechnerische Untersuchungen an zwei Demonstratoren unterschiedlichen Komplexitätsgrades. Hierbei handelt es sich einerseits um den Ausschnitt einer Wagenkasten-Trägerstruktur aus dem Schienenfahrzeugbau und andererseits um den Ausschnitt aus einem Querträger aus dem Automobilbau. Beide Bauteile werden mit Hilfe eines Lichtbogenschweißverfahrens gefügt und lassen sich grob wie im Folgenden dargestellt charakterisieren. Trägerstruktur aus dem Schienenfahrzeugbau: Umwandelnder Stahl (S355J2G3) Blechdicke 5 mm Offene Profilstruktur Vorgelagerte Umformprozesse spielen keine wesentliche Rolle zeitliche und örtliche Nähe mehrerer Schweißnähte Eine schrittweise Komplexitätssteigerung ist leicht möglich Querträger aus dem Automobilbau: Nicht aushärtbare Aluminiumlegierung (AlMg3Mn) Blechdicke ca. 3,5 mm IHU umgeformte, geschlossene Profilstruktur Zwei aufgeschweißte Getriebeträger Die beiden Demonstratoren repräsentieren unterschiedliche industrielle Anwendungsbereiche. Während die Trägerstruktur für den Schienenfahrzeugbau auch für den Anlagen- und Stahlbau typisch ist, stellt der Querträger ein charakteristisches Bauteil aus dem Automobilbau dar. Beide Bauteile sind aufgrund einer großen Relevanz des Schweißverzuges in der Fertigung ausgewählt worden. Die Teilprojekte des ifs und der SLV München beschäftigen sich unter anderem mit experimentellen und rechnerischen Untersuchungen an diesen Bauteilen. Diese stellen eine wichtige Grundlage zur Erprobung und Absicherung der Forschungsergebnisse der weiteren Projekte des Clusters dar. Dadurch stehen allen Forschungsstellen des Clusters experimentell validierte Referenzmodelle und -kenndaten zur Verfügung. Diese bilden eine Grundlage z.b. für die Entwicklung neuer Methoden zur Rechenzeitreduzierung in verschiedenen Teilprojekten. Innerhalb des Clusters soll, im Hinblick auf die Zielgröße des Verzugs, die Struktursimulation 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. Die Entwicklung von Methoden zur Reduzierung der benötigten Rechenzeiten stellt eine zentrale Aufgabe des Clusters dar. Diese wird schwerpunktmäßig in den beiden Anträgen des IWM und LFT behandelt. Hier werden, neben der Validierung vorhandener Methoden, folgende neue Ansätze verfolgt: Entwicklung einer neuen Rechenmethode zur erheblichen Rechenenzeiteinsparung unter Verwendung der lokalen Eigenschaften des instationären und quasistationären Temperaturfelds in Mechanikrechnungen (IWM) Kopplung analytischer und numerischer Modelle (LFT) Übertragung der in einem auf die Schweißnaht reduzierten Modell berechneten Maximaltemperaturen auf ein globales thermomechanisches Modell. Dies stellt eine Weiterentwicklung des Macro Bead Ansatzes dar (LFT) Berechnung der plastischen Verformungen mit einem lokalen thermomechanischen Modell unter Berücksichtigung realer mechanischer Randbedingungen, Rückübertragung der plas-

5 tischen Dehnungen auf ein globales elastisches Modell. Dies stellt eine Weiterentwicklung des Local-Global Ansatzes dar (LFT) Im Projekt des ifs werden zusätzlich vorhandene aber nicht umfassend an komplexen Strukturen überprüfte Verfahren untersucht. Hierbei handelt es sich um den Einsatz von Substrukturtechniken zur Reduzierung der Anzahl der Freiheitsgrade in nahtfernen, rein elastisch beanspruchten Bauteilbereichen und eine Diskretisierung mit Schalenelementen in nahtfernen Bereichen. Der Abbildung wesentlicher Randbedingungen beim thermischen Fügen komplexer Bauteile widmen sich die beiden Anträge des iwb und ifs. Hier werden sowohl Modellierungsansätze zur Abbildung von Einspannungen betrachtet (iwb) als auch verschiedene Verfahren zur Berücksichtigung von Heftvorgängen untersucht (ifs). Das Ziel der Einspannungsuntersuchungen des iwb ist eine Ableitung möglichst allgemein gültiger Gestaltungskriterien für die Auswirkung des Einspannungsszenarios auf den Bauteilverzug. Die räumliche und zeitliche Nähe mehrerer Schweißnähte der Trägerstruktur und die Möglichkeit der schrittweisen Komplexitätssteigerung erlaubt die Untersuchung verschiedener Vorgehensweisen zur Modellierung im Projekt des ifs. Hierbei werden auch vereinfachende Ansätze zur Berücksichtigung des Schweißens von Gegenlagen untersucht. Im Sinne des Ziels einer Abbildung der vollständigen Prozesskette, ist die Berücksichtigung vorgelagerter Prozesse notwendig. Diesem wird in den Projekten des IWM und der SLV München Rechnung getragen. Hier werden die experimentell validierten Ergebnisse von Umformsimulationen in die Schweißsimulation übernommen. Dies geschieht am IWM anhand eines in Vorarbeiten erstellten und mit experimentellen Daten verifizierten Modells aus einem vorangegangenen Projekt aus dem Aluminium-Bereich. Im Rahmen des Projekts der SLV München soll der Einfluss der mechanischen Belastung durch vorgelagerte Umformprozesse am Beispiel des IHU-Prozesses auf die Fügepartner eines Schweißprozesses untersucht werden. Die wissenschaftliche Zielstellung des Vorhabens besteht dabei in der systematischen Untersuchung vorhandener Eigenschafts- Übertragungs-Algorithmen im Hinblick auf ihre Eignung für einen wirtschaftlichen Einsatz zur Simulation der Prozesskette Umformen- Schweißen. Hierzu sollen unterschiedliche FE- Modellierungsmethoden am beispielhaften Szenario einer komplexen Struktur aus der Automobilindustrie (Querträger) betrachtet und über optische 3D Verzugs- und röntgenographische Eigenspannungsmessungen validiert werden. Die Frage nach der Sensibilität der Verzugsberechnung bei Änderung der Eingangsgrößen der Berechnung wird im Projekt des ifs, anhand ausgewählter Aspekte und vor dem Hintergrund bereits vorhandener Erkenntnisse, für die Trägerstruktur beantwortet. Die Verknüpfung der verschiedenen Teilprojekte ist in folgendem Diagramm schematisch zusammengefasst.

6 4. Wirtschaftliche Bedeutung Die im Rahmen dieses Clusters erwarteten Ergebnisse sollen es ermöglichen, das in der Ausgangssituation beschriebene Potenzial der frühzeitigen rechnerischen Ermittlung des Schweißverzugs näher an die wirtschaftliche Umsetzung heranzutragen. Innerhalb der fünf Teilprojekte werden im Hinblick auf diese Umsetzung industriell relevante Demonstratoren betrachtet. Dennoch wird bei der Anwendung existierender und neu entwickelter Modellierungsmethoden darauf Wert gelegt, möglichst allgemein gültige Anwendungsbereiche durch Sensibilitätssuntersuchungen aufzuzeigen. Die Erfahrungen der Anwendung unterschiedlicher Berechnungs- und Modellierungsmethoden sollen innerhalb des Clusters intensiv ausgetauscht werden und über Publikationen und die jeweiligen Abschlussbereichte einem großen Kreis von Interessenten zur Verfügung gestellt werden. Dabei sollen die einzelnen Modellierungsschritte und die erwartete Aussagekraft der Ergebnisse für den Anwender nachvollziehbar und wissenschaftlich begründet dargestellt sein, so dass auch kleine und mittlere Unternehmen der thematische Zugang zu den betrachteten Simulationsmethoden aufwandsarm erlaubt wird. Der Einsatz der innerhalb des Clusters betrachteten virtuellen Werkzeuge birgt eine Möglichkeit für kmus, schnell und flexibel die Kundenanforderungen in neue Produkte umzusetzen. Durch eine Verringerung des experimentellen Analyse- und Prüfaufwands kann die rechnergestützte Simulation helfen, die Geschwindigkeit und die Flexibilität dieser Umsetzung und somit durch geringere Kapitalbindung die Rentabilität von Produktneuentwicklungen zu erhöhen.

7 5. Synergien Zur Bearbeitung des Clusters sind umfangreiche Ressourcen und Kompetenzen notwendig, die nicht von einer Forschungsstelle allein bereitgestellt werden können. Die fünf im Cluster vertretenen Forschungsstellen bieten insgesamt die Ausstattung und die Erfahrungswerte, die notwendig sind, um die beschrieben Herausforderungen anzunehmen. Weiterhin erlaubt eine parallele Bearbeitung der Inhalte eine Optimierung des einzelnen Projektablaufes, da durch intensiven Austausch zwischen den Wissenschaftlern, Ingenieuren und Technikern der Forschungsstellen während der gesamten Laufzeit wie Erfahrungen ausgetauscht und die Kompetenzen der verschiedenen Forschungsstellen gezielt eingebracht werden können. Durch die regelmäßige Teilnahme der Institute an gemeinsamen Fachausschüssen und Gremien sind den Wissenschaftlern die jeweiligen Arbeiten anderer Institute nicht nur gut bekannt, sondern werden mittlerweile selbstverständlich in neue Projekte miteinbezogen. Die beschrieben Synergien, welche die Projektbearbeitung überhaupt ermöglichen, müssen gegenüber einer aus dem Cluster losgelösten Bearbeitung der Projekte zwangsweise zu eine deutliche Reduzierung des Bearbeitungsaufwandes führen, da Einzelkompetenzen mitunter nicht genutzt werden können. Speziell durch die mehrfache Verwendung der experimentellen Untersuchungen und Modelle der beiden Demonstratoren ist eine deutliche Reduzierung des Aufwandes möglich. Einzelne Projekte sind nicht in der Lage, den beschriebenen Umfang, bei analogem Anspruch an die Komplexität der Bauteile, zu in der Summe gleichen Kosten zu erbringen. 6. Projektmanagement Für die Organisation und Abwicklung des Gesamtprojektes sowie zur Sicherstellung der Synergien sind effektive Kontroll- und Steuerungsmechanismen zwingend erforderlich. Durch die Verwendung der beiden Demonstratoren in verschiedenen Projekten ist eine detaillierte Abstimmung und zeitliche Planung der Arbeiten notwendig. Die Organisationsstruktur der Einzelvorhaben soll derjenigen eines AiF-Vorhabens im Normalverfahren entsprechen. Den einzelnen Forschungsvorhaben sind mit Industrievertretern besetzte projektbegleitende Ausschüsse zugeordnet. Die Industrievertreter begleiten und steuern die Einzelvorhaben in diesen Ausschüssen gemäß den Regularien der AiF. Speziell werden innerhalb des Clusters frühzeitig Nutzungsmöglichkeiten der Ergebnisse sowie geeignete Transfermaßnahmen identifiziert. Die Treffen der Ausschüsse sollen sowohl vorhabensbezogen als auch im Rahmen von gemeinsamen Kolloquien stattfinden. Dies ermöglicht es, den Zeitaufwand zu minimieren, eine abgestimmte und einheitliche Darstellung zu gewährleisten und einen frühzeitigen projektübergreifenden Austausch zwischen den Forschungsstellen und den Industrievertretern zu fördern. Der Projektablauf wird anhand klar definierter Meilensteine überprüft und dokumentiert. Das dezentrale Projektmanagement der Einzelvorhaben wird durch folgende Mechanismen eines zentralen Managements ergänzt und hierdurch auch in der Bearbeitung zu einem Cluster verbunden: Ein mit Industrievertreten und Vertretern der Mitgliedsvereinigungen besetztes Steuerungsgremium (Lenkungskreis) Wissenschaftliche Koordination der Arbeiten durch das ifs Neben den Treffen der Projektbegleitenden Ausschüsse, der Forschungsstellen und des Lenkungskreises finden regelmäßige Treffen der Sachbearbeiter statt. Diese dienen einerseits dem fortschrittsnahen Austausch von Erfahrungen, Ergebnissen und Problemen. Andererseits bieten sie jeder Forschungsstelle die Möglichkeit, sich ihren Kernkompetenzen entsprechend in das Projekt einzubringen.