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Fast temperature field generation for welding simulation and reduction of experimental effort
(2009)
The quality of welding processes is governed by the occurring induced distortions yielding an
increase in production costs due to necessary reworking. Especially for more complex specimens
it is difficult to evaluate the optimal configuration of welding sequences in order to
minimise the distortion. Even experienced welding operators can solve this task only by trial
and error which is time and cost consuming.
In modern engineering the application of welding simulation is already known to be able to
analyse the heat effects of welding virtually. However, the welding process is governed by
complex physical interactions. Thus, recent weld thermal models are based on many simplifications.
The state of the art is to apply numerical methods in order to solve the transient heat
conduction equation. Therefore, it is not possible to use the real process parameters as input
for the mathematical model. The model parameters which allow calculating a temperature
field that is in best agreement with the experiments cannot be defined directly but inversely by
multiple simulations runs. In case of numerical simulation software based on finite discretisation
schemes this approach is very time consuming and requires expert users. The weld
thermal model contains an initial weakness which has to be adapted by finding an optimal set
of model parameters. This process of calibration is often done against few experiments. The
range of model validity is limited. An extension can be obtained by performing a calibration
against multiple experiments.
The focus of the paper is to show a combined modelling technique which provides an efficient
solution of the inverse heat conduction problem mentioned above. On the one hand the inverse
problem is solved by application of fast weld thermal models which are closed form
solutions of the heat conduction equation. In addition, a global optimisation algorithm allows
an automated calibration of the weld thermal model. This technique is able to provide a temperature
field automatically that fits the experimental one with high accuracy within minutes
on ordinary office computers. This fast paradigm permits confirming the application of welding
simulation in an industrial environment as automotive industry.
On the other hand, the initial model weakness is compensated by calibrating the model
against multiple experiments. The unknown relationship between model and process parameters
is approximated by a neural network. The validity of the model is increased successively
and enables to decrease experimental effort. For a test case it is shown, that this approach
yields accurate temperature fields within very short amount of time for unknown process parameters
as input data to the model contributing to the requirement to construct a substitute
system of the real welding process.
Fast Temperature Field Generation for Welding Simulation and Reduction of Experimentall Effort
(2009)
Experimentelle und numerische Analyse des Geometrieeinflusses auf den Schweißeigenspannungszustand
(2009)
Die vorliegende Arbeit stellt Untersuchungen im Rahmen eines Forschungsprojektes mit Schwerpunkt in der experimentellen und numerischen Analyse schweißbedingter Eigenspannungen und Verzüge beim Mehrlagenschweißen dar. Das Auftreten von kritischen Eigenspannungszuständen und untolerierbaren Verzügen während des Fertigungsprozesses verursacht durch erforderliche Nacharbeiten, wie z.B. Richten oder Wärmenachbehandlungen, zusätzliche Kosten. Diese Nacharbeiten können vermieden werden, wenn die numerische Schweißsimulation auf der Grundlage von zuverlässigen Berechnungsergebnissen zur Optimierung angewandt wird.
Die Analyse des Eigenspannungszustandes erfolgt an 5 mm dicken Blechen des unlegierten Baustahls S355J2, wobei Stumpfnaht-Verbindungen mittels Metall-Aktiv-Gas-(MAG)-Schweißen ausgeführt worden sind. Im Zusammenhang mit den Experimenten werden sowohl Temperaturzyklen und Eigenspannungen gemessen als auch Schmelzbadgeometrie und Mikrostruktur ermittelt.
Auf der Basis eines experimentell validierten Temperaturfeldes und umfangreichen röntgenografischen Eigenspannungsuntersuchungen erfolgen numerische Strukturberechnungen. Die auftretenden Phasenumwandlungen werden in der Simulation berücksichtigt.
Die Betrachtung verschiedener Blechkonfigurationen gibt den Einfluss der Blechlänge auf das Niveau der entstehenden Eigenspannungen wieder. Es stellt sich heraus, dass sich die Quereigenspannungen in den nahtnahen Bereich mit zunehmender Blechlänge in den Druckbereich verschieben. Dieses Verhalten kann durch die experimentell validierte Struktursimulation des vorliegenden Prozesses numerisch abgebildet werden und schafft somit den Ausgangspunkt für die spätere Berechnung von mehrlagigen Schweißnähten.
Simulation based approach for distortion analysis and optimisation of beam welded automotive parts
(2009)
Simulation Based Approach for Distortion Analysis and Optimisation of Beam Welded Automotive Parts
(2009)
Das Ziel der vorliegenden Vorstudie ist es, die grundsätzlichen Anforderungen, Funktionen und Möglichkeiten vorhandener Software zur Simulation schweißbedingter Phänomene (Prozess-, Struktur- und Werkstoffsimulation) zu erarbeiten und gegenüberzustellen. Die notwendigen Eingabedaten, die vorausgesetzte Anwendererfahrung, sowie die Systemanforderungen und der Rechenzeitbedarf werden für sowohl kommerziell erhältliche als auch zur Zeit noch rein in der Forschung angewandte Programme berücksichtigt.
Nach Aufarbeitung des heutigen Kenntnisstandes der Schweißsimulation wird aktuell verfügbare Software diskutiert. Diese Programme lassen sich in Anlehnung an Radaj in drei Teilbereiche (Software für Struktursimulation, Prozesssimulation und Werkstoffsimulation) unterteilen. Schließlich wird auf notwendige Eingabedaten, hier vor Allem auf die Werkstoffkennwerte, eingegangen. Da die quantitative Aussagekraft der Simulationsergebnisse gewährleistet werden muss, ist eine umfassende Prüfung der Plausibilität und der Genauigkeit der experimentell bestimmten Werkstoffkennwerte notwendig.
The objective of this paper is to demonstrate a new simulation technique which allows fast and automatic generation of temperature fields as input for subsequent thermomechanical welding simulation. The basic idea is to decompose the process model into an empirical part based on neural networks and a phenomenological part that describes the physical phenomena. The strength of this composite modelling approach is the automatic calibration of mathematical models against experimental data without the need for manual interference by an experienced user. As an example for typical applications in laser beam and GMA-laser hybrid welding, it is shown that even 3D heat conduction models of a low complexity can approximate measured temperature fields with a sufficient accuracy. In general, any derivation of model fitting parameters from the real process adds uncertainties to the simulation independent of the complexity of the underlying phenomenological model. The modelling technique presented hybridises empirical and phenomenological models. It reduces the model uncertainties by exploiting additional information which keeps normally hidden in the data measured when the model calibration is performed against few experimental data sets. In contrast, here the optimal model parameter set corresponding to a given process parameter is computed by means of an empirical submodel based on relatively large set of experimental data. The approach allows making a contribution to an efficient compensation of modelling inaccuracies and lack of knowledge about thermophysical material properties or boundary conditions. Two illustrating examples are provided.
Distortion optimisation of beam-welded industrial parts by means of numerical welding simulation
(2008)
The objective of this paper is to demonstrate a new simulation technique which allows the fast and automatic generation to temperature fields based on a combination of empirical and phenomenological modelling techniques. The automatic calibration of the phenomenological model is performed by a multi-variable global optimisation routine which yields the optimal fit between simulated and experimental weld charcteristics without the need for initial model parameters. For exemplary welding processes it is shown that linear 3D heat conduction models can approximate measured temperature fields with a high accuracy. The modelling approach presented comprises the automatic calibration against multiple experiments which permits simulating the temperature field for unknown process parameters. The validation of this composite simulation model is performed for exemplary welding processes and includes the prediction of the fusion line in the cross section and the corresponding thermal cycles.
Der Hauptaspekt der vorliegenden Dissertation ist die Sensitivitätsanalyse der FE- Schweißsimulation, basierend auf einer Variation der Werkstoffkennwerte, sowie deren Einfluss auf das transiente Temperaturfeld und die Verzüge. Dabei wird das Streuband der Werkstoffkennwerte für den gesamten Temperaturbereich sowie für diskrete Temperaturintervalle, die aus der Metallurgie und den experimentellen Randbedingungen abgeleitet sind, betrachtet. Die Untersuchung findet an drei verschiedenen Legierungen statt, welche zurzeit gebräuchliche Werkstoffe im Automobilbau innerhalb der folgenden Hauptlegierungsgruppen darstellen: • hochfester Dualphasenstahl • austenitischer Chrom-Nickel-Stahl • aushärtbare Aluminiumlegierung Die betrachteten Kennwerte sind Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität und Dichte sowie E-Modul, Dehngrenze, thermische Dehnung, Querkontraktionszahl und Verfestigungsverhalten. Die Untersuchungen zeigen den großen Einfluss der spezifischen Wärmekapazität und der Dichte auf das berechnete Temperaturfeld und die anschließend ermittelten Verzüge. Mit Blick auf die thermomechanischen Kennwerte werden die Verzüge hauptsächlich von der thermischen Dehnung, dem E-Modul und der Dehngrenze beeinflusst. Die wichtigen thermophysikalischen und thermomechanischen Kennwerte werden für alle drei Legierungen gemessen. Diese sehr genauen Daten werden für eine Simulation ohne die möglichen Fehlerquellen der Streuung der Werkstoffkennwerte verwendet. Die Daten der Werkstoffkennwerte werden dann entsprechend der bekannten Streubänder variiert um die Sensitivität der simulierten Temperaturzyklen und Verzüge zu ermitteln. Die Berechnungsergebnisse werden über Schweißversuche an ebenen Platten mit Laserstrahl- Blindnähten validiert (Thermoelementmessungen, Nahtquerschliffe und Wegaufnehmermessungen der Verzüge). Darüber hinaus werden die Ergebnisse anhand einer Schweißsimulation und Verzugsoptimierung eines industriell relevanten Bauteils überprüft. Die Ergebnisse, Meinungen und Schlüsse dieser Dissertation sind nicht notwendigerweise die der Volkswagen AG.
In diesem Artikel wird eine Übersicht über die Methoden zurnumerischen Berechnung schweißbedingter Bauteilverzüge fürindustrielle Anwendungen gegeben. Zunächst werden die Anforderungen der Automobilindustrie an die benötigte Softwaredargestellt. Dabei wird zwischen der industriellen Forschungund der Entwicklung/Produktionsplanung differenziert. Es werden die verschiedenen derzeit verfügbaren Ansätze zur numerischen Schweißsimulation vorgestellt und deren Möglichkeitenzur Erfüllung der dargestellten Bedürfnisse erläutert. Anhand eines aktuellen Bauteils aus der Automobilindustrie (B-SäuleVW Golf) wird beispielhaft die Verzugsoptimierung mit Hilfe einer Berechnungsmethodik aufgezeigt, welche sich durch eine schnelle Modellerstellung, kurze Rechenzeiten und einfache Handhabung auszeichnet. Ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit experimentell ermittelten Daten zeigt sehr gute Über-einstimmungen und verdeutlicht das immense Potenzial einer numerisch unterstützten Prozessoptimierung.