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BTU
Verzugsberechnung einer komplexen Struktur mittels eines analytisch-numerischen Hybridmodells
(2010)
Dem Fügen mittels Schweißen kommt in vielen Industriezweigen eine zentrale Bedeutung zu. Durch die ungleichmäßige Erwärmung der Schweißverbindung kommt es jedoch zu unerwünschten Verformungen, die durch kostenintensive Nachbehandlungen beseitigt werden müssen. Ist der bleibende Schweißverzug bereits in einem frühen Stadium des Produktentwicklungszyklus bekannt, können geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen oder Nachbehandlungen bereits in der Produktplanung festgelegt werden.
Das Kernziel dieser Arbeit ist die Entwicklung und Umsetzung eines gekoppelten analytisch numerischen Hybridmodells für die Schweißverzugsberechnung von Großstrukturen. Die Basis hierfür liefert das Schrumpfkraftmodell, welches um moderne Schweißverfahren und neue Werkstoffe erweitert wird. Sowohl experimentell als auch mittels numerischer Analysen wird die Instabilität dünnwandiger Strukturen untersucht und eine mögliche Erfassung im Schrumpfkraftmodell vorgeschlagen. Durch die analytisch numerische Kopplung stellt auch die Berechnung der Verzüge, hervorgerufen durch krummlinig wandernde W\"armequellen keine Hürde mehr dar und wird implementiert.
Um die Anwendung des Hybridmodells zu vereinfachen, wird ein Programm entwickelt, welches die umfangreiche mathematische Vorgehensweise des Schrumpfkraftmodells beinhaltet und aufgrund der Geometrie der Schweißverbindung, des Werkstoffs und der Schweißparameter die mechanischen Lasten berechnet. Die Verifizierung der Software, des Kopplungsalgorithmus sowie die Untersuchung der Stabilität und Sensibilität des Hybridmodells erfolgt an Stumpfstoßverbindungen.
Abschließend wird das Modell an unterschiedlich komplexen Schweißkonstruktionen angewandt und die berechneten Schweißverzüge mit experimentellen Messungen verglichen. Eingangs werden einfache I- und T-Stoßverbindungen betrachtet. Es folgt die Verzugsberechnung eines Demonstrators aus dem Schiffbau mit 8 Schweißnähten sowie einer gesamten Decksektion mit ca. 90 Nähten, wobei verschiedene Elemente auf eine Grundplatte von 20x16 Metern gefügt werden.
Die Festigkeitsberechnung von Strukturen, zum Beispiel Platten oder Schalen, mittels der Finite-Elemente-Methode gehört schon seit längerem zum Stand der Technik. Berücksichtigt werden bei der Berechnung sowohl geometrische Nichtlinearitäten als auch das nichtlineare Verhalten des Werkstoffs. Die geometrischen und strukturellen Imperfektionen werden bei der Ermittlung der Festigkeit zumeist in ausschließlich geometrischen Imperfektionen, wie bspw. Kombinationen aus Fertigungstoleranzen und den Ergebnissen von Beulanalysen zusammengefasst. Zur Rechtfertigung dieser Vorgehensweise werden die geometrischen Imperfektionen gemäß DIN EN 1993-1-5 erhöht. In einem Kommentar zur selben Norm findet
sich ebenfalls eine Empfehlung zur Berücksichtigung von Schweißimperfektionen in Form von vereinfachten Längseigenspannungsverläufen. Diese werden in Abhängigkeit der
Fließgrenzspannung des Werkstoffs bei Raumtemperatur und der Dicken der Fügepartner angenommen. Sowohl die Annahme rein geometrischer Imperfektionen als auch die Berücksichtigung vereinfachter Eigenspannungszustände, sind mit Sicherheitszuschlägen
behaftet. Durch eine realitätsnähere Berücksichtigung von strukturellen und geometrischen Imperfektionen, hervorgerufen durch Schweißprozesse, kann die tatsächliche Tragfähigkeit einer Struktur wesentlich exakter bestimmt werden. Inhalt dieses Artikels ist die Anwendung eines analytisch-numerischen Hybridmodells zur
Schweißimperfektionsberechnung an einer doppelt versteiften Platte und einer anschließenden Festigkeitsanalyse. Eingangs wird das analytische Modell vorgestellt und auf die grundlegenden
physikalischen Zusammenhänge eingegangen. Es folgt die Erläuterung des Kopplungsalgorithmus zwischen analytischem Modell und der numerischen Berechnung. Angewendet an der doppelt versteiften Platte, wird ein realitätsnaher geometrischer und
struktureller Imperfektionszustand berechnet. Eine anschließende Traglastanalyse gibt Aufschluss über das Verformungsverhalten unter achsialer Krafteinwirkung. Zur Bewertung der Ergebnisse wird ein Modell gleicher geometrischer Abmessungen und Werkstoffkennwerte aus
der Literatur herangezogen. Berechnet wurden die ersten 6 Eigenformen mittels analytischer und numerischer Modelle sowie die Last-Verformungskurven unter der Annahme unterschiedlicher geometrischer Imperfektionen. Um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu sichern, wird eingangs die Lagerung des Modells sowie der Kraftangriffspunkt in Längsrichtung invers, durch den Vergleich der ersten 6 Beulformen sowie der Last-Verformungskurven dreier
Imperfektionen, bestimmt. Darauf aufbauen wird die Last-Verformungskurve für einen überlagerten Imperfektionszustand berechnet, wobei die geometrischen Imperfektionen aus den
Fertigungstoleranzen abgeleitet und die strukturellen idealisiert, gemäß DIN EN 1993-1-5, gewählt werden. Abschließend werden alle Last-Verformungskurven einander gegenübergestellt.
Anhand des Vergleichs kann quantifiziert werden, wie konservativ die einzelnen angenommenen Imperfektionen sind und wie sich der Verformungsverlauf darstellt, berechnet man diesen unter
Verwendung realitätsnaher geometrischer und struktureller Imperfektionen.
Imperfektionen, die bei Traglastberechnungen Berücksichtigung finden müssen, haben ihre Ursachen in Herstellungs- und Fertigungstoleranzen oder werden durch das Schweißen und den damit zumeist einhergehenden Nachbehandlungen in den Bauteilen hervorgerufen. Durch die Wärmewirkung des Schweißens entstehen sowohl sehr große Verformungen als auch signifikante Zug und Druckspannungen. Der strukturelle und geometrische Imperfektionsgrad wird somit maßgeblich von der Anzahl und der Lage der Schweißnähte sowie den Schweißparametern bestimmt. Für die Berücksichtigung in Traglastberechnungen ist ein physikalisch fundiertes Modell erforderlich, welches die Schweißimperfektionen schnell und präzise berechnet. Das gekoppelte analytisch numerische Hybridmodell erfüllt diese Kriterien. Die mathematischen Grundlagen des analytischen Modells sowie die Kopplung mit der numerischen Finite-Elemente-Berechnung werden eingangs vorgestellt und die Anwendung zur Berechnung von Verzügen an einer Schiffsektion demonstriert. Darauffolgend wird das Hybridmodell an einer eben und einer gekrümmten versteiften Platte zur Berechnung der Schweißimperfektionen angewendet. Anschließende Traglastberechnungen sowie der Vergleich mit den Ergebnissen unter der Annahme einer geometrischen Ersatzimperfektion in Form des kritischsten Eigenwerts gibt Auskunft darüber, welches Potenzial die realitätsnahe direkte Berücksichtigung von Schweißimperfektionen birgt.
The work presents an innovative approach for simulation of welding induced distortions, which allows taking into consideration the local effects of the welding process as well as the global interactions in the structure. The approach bases on an integration of analytical and numerical calculation’s procedures in a hybrid model, realized with the aid of the inherent strain concept. The analytical procedure calculates the shrinkage strain components and area of the plastic deformed zone, caused by welding. The calculated strains are then transferred to the global finite element model in order to predict the distortions and stresses in the structure after every welding stage, as well as their final state. The consideration of welding scenarios, weld sequence, clamping conditions and the assembling stages is done by taking into account the intermediate variation of the strain state during the manufacturing steps.
The article gives the theoretical basis of the analytical model. The consideration of the essential physical relations is put into discussion. The application of the model is illustrated on complex structures. Its reliability and practicability are demonstrated by means of a validation study.
The Influence of Geometrical and Welding Imperfections on the Strength of Stiffened Structures
(2018)
The strength calculation of stiffened plates and shells via finite element simulation has been part of the state of the art for a long time. Geometrical nonlinearities as well as the nonlinear material behavior are considered within the calculation. To simplify, both types of imperfections, geometrical and structural ones, are mostly combined in these strength calculations being considered as equivalent geometrical imperfections. Values for standard cases are included in EN 1993-1-5 in case of plated structures or 1-6 in case of shells. A second possibility is the separate definition of fabrication tolerances and residual stresses, as far as they are known. With increasing complexity of the structure, less information are however available on geometrical and particularly structural imperfections. Nevertheless, by means of a more realistic consideration of these values, the actual ultimate load can be determined significantly more exactly and the performance of high performance steel structures is increased.
In the investigated cases, deformations and stresses arise mainly due to welding. Therefore, the topic of this article is the application of an analytical numerical hybrid model for predicting imperfections induced by welds. This is presented on an example of a stiffened steel structure and a subsequent ultimate load calculation. At the beginning the analytical model, its physical basis as well as the physical interrelationships are introduced and explained. This is followed by the explanation of the coupling procedure between the analytical model and the numerical calculation for the calculation of weld-induced deformations and residual stresses. The significance of the hybrid model is proven by means of a few sample applications. For a realistic determination of the weld imperfections in the investigated stiffened structure, the coupled hybrid model is used afterwards. An ultimate load analysis gives information about the load carrying behavior under axial loading. The results are compared with the results of an ultimate load analysis from a literature example assuming different eigenvalues with different scaling. The results underline the potential additional utilization of load bearing capacity by this new approach.
Strength Calculation of Stiffened Structures Taking Into Consideration Realistic Weld Imperfections
(2018)
The topic of this article is the application of an analytical numerical hybrid model for a realistic prediction of imperfections induced by welds. At the beginning, the analytical model, its physical basis as well as the physical interrelationships are explained. This is followed by the explanation of the coupling procedure between the analytical model and the numerical calculation. Afterwards, the coupled hybrid model is applied on the investigated stiffened curved structure for the determination of the weld imperfections. An ultimate load analysis gives information about the load carrying behavior under axial loading. The results are compared against the traditional approach using eigenmode-based imperfections. The comparison underlines the potential additional utilization of load bearing capacity by this new approach.
Erweiterung eines analytisch-numerischen Hybridmodells für die Verzugssimulation von Großstrukturen
(2014)