TY - THES A1 - Doynov, Nikolay T1 - Hybride Modelle für Verzugs- und Eigenspannungsberechnung von großen und komplexen Schweißkonstruktionen T1 - Hybrid models for calculation of distortion and residual stresses in large and complex welded structures N2 - Das Schweißen führt zu einer lokalen, ungleichmäßigen Erwärmung der Fügestelle. Die dadurch hervorgerufenen lokalen plastischen Verformungen und metallurgischen Werkstoffveränderungen bewirken nach der Abkühlung bleibenden Verzug und Eigenspannungen. Diese beeinflussen die reibungslose Durchführung des Fertigungsprozesses und die Qualität der geschweißten Konstruktion und schließlich stellen letztlich deren Einsatz in Frage. Somit steht für die meisten Industrieanwendungen die gesicherte Minimierung bzw. Beherrschung des Schweißverzuges und der Schweißeigenspannungen, insbesondere bei großen Konstruktionen im Vordergrund. Mittels der Vorkenntnis über den zu erwartenden Verzug und die Entwicklung der Eigenspannungen während und nach dem Schweißen können zum einen geeignete Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise Einspannszenarien, Vorverformungen oder Schweißreihenfolgen sowie eine gezielte Vor-, Zwischen- oder Nachwärmebehandlung zweckmäßig gewählt werden. Zum anderen ist es möglich, die darauffolgenden notwendigen Nachbehandlungen, wie z.B. das thermische Richten, schon in einem sehr frühen Stadium des Produktentwicklungsprozesses vorauszuplanen. Demzufolge besteht seitens der Forschung ein sehr großes Interesse an der Entwicklung verlässlicher Modelle und Methoden zur Schweißverzugs- und Eigenspannungsberechnung. Die vorliegende Habilitationsschrift befasst sich mit den theoretischen Grundlagen und den simulationstechnischen Aspekten der Schweißverzug- und Eigenspannungsberechnung von großen komplexen Schweißkonstruktionen. Im Mittelpunkt stehen die analytisch-numerische Hybridmodelle. Diese bestehen aus einem analytischen Teil für die lokale thermomechanische Berechnung und einen numerischen Teil für die globale strukturmechanische Berechnung. Die beiden Teilaufgaben sind stark gekoppelt. Der Schwerpunkt liegt in der Weiteentwicklung und in den Umsatzmöglichkeiten des analytischen Ansatzes. Darüber hinaus wird die Anwendung der Hybriden Modellierung zur Berechnung von Verzug und Eigenspannungen in praxisrelevanten Schweißkonstruktionen an zahlreichen Beispielen demonstriert. Die Aspekte der Einbringung der Simulation in die Fertigungs- oder Produktkette werden ebenso thematisiert. N2 - Welding causes local, non-uniform heating of the joint. The resulting local plastic deformations and metallurgical material changes cause after cooling residual distortions and stresses. These affect the smooth performance of the manufacturing process and the quality of the welded structure, finally putting its use into question. Thus, for most industrial applications, the minimization or control of welding distortion and residual stresses, especially for large constructions, is of primary importance. By knowing in advance the distortion to be expected and the development of residual stresses during and after welding, it is possible, on the one hand, to select suitable measures to control the distortion, such as clamping scenarios, preforming or welding sequences, as well as targeted pre-, intermediate- or post-weld heat treatment. On the other hand, it is possible to plan in advance the subsequent necessary post-treatments, such as thermal straightening, at a very early stage of the product development process. Consequently, there is a very great interest on the part of the research community in the development of reliable models and methods for weld distortion and residual stress calculation. This postdoctoral thesis deals with the theoretical fundamentals and simulation aspects of weld distortion and residual stress calculation of large complex welded structures. The focus is on analytical-numerical hybrid models. These consist of an analytical part for the local thermomechanical calculation and a numerical part for the global structural mechanical calculation. The two subtasks are strongly coupled. The main issue is the ongoing development and the turnover possibilities of the analytical approach. In addition, the application of hybrid modeling for the calculation of distortion and residual stresses in practically relevant welded structures is demonstrated with numerous examples. The aspects of incorporating simulation into the manufacturing or product chain will also be addressed. KW - Schweißsimulation KW - Eigendehnung KW - Schweißverzug KW - Schweißeigenspannungen KW - Vortgeschrittene Schweißfertigung KW - Computational welding mechanics KW - Inherent strain KW - Welding distortions KW - Welding residual stresses KW - Advanced welding manufacturing KW - Schweißen KW - Schweißspannung KW - Thermomechanik KW - Strukturmechanik KW - Tragfähigkeit KW - Richten KW - Intelligente Fertigung KW - Computersimulation KW - Konzeptionelle Modellierung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64536 ER - TY - THES A1 - Sparr, Holger T1 - Thermomechanische Analyse von inelastischen Deformationsvorgängen bei komplexer Beanspruchung in Modellierung und Experiment T1 - Thermomechanical analysis of inelastic deformation processes under complex loading in modeling and experiment N2 - Anwendbare Materialgesetze im Rahmen der phänomenologischen Kontinuumsmechanik sind durch die berücksichtigten Deformationsmechanismen geprägt und sind in der Regel für einen anzugebenden Gültigkeitsbereich einsatzfähig. Die verwendeten mathematischen Werkzeuge geben einen ausreichenden Anpassungsspielraum experimenteller Daten, beziehen jedoch die Physikalität des Materialgesetzes bedingt ein, da der thermodynamische Prozess der Deformation als näherungsweise isotherm behandelt wird. In dieser Arbeit wird der Deformationsvorgang unter mechanischer Last als vollständiger thermodynamischer Prozess verstanden, der eine Temperaturentwicklung im Werkstoff einbezieht und die kalorischen Zustandsgrößen auswertet. Die Konzepte der Kontinuumsthermomechanik werden in der Beschreibung für thermodynamisch konsistente Materialgesetze genutzt. Die zugehörigen, mikrostrukturell motivierten Entwicklungsgrößen beschreiben das nichtlineare Verhalten für eine große Bandbreite von Materialklassen und in komplexen Belastungspfaden. Um dies für die Ermittlung geeigneter Materialgesetze nutzbar zu machen wird die Infrarotthermografie für die Ermittlung der Oberflächentemperatur in den Messablauf integriert. Hauptaugenmerk liegt auf dem technisch relevanten Anwendungsbereich der kleinen Deformationsgradienten bei Raumtemperatur. Anhand charakteristischer Belastungspfade für metallische Konstruktionswerkstoffe wird gezeigt, dass die Dynamik der Deformationsmechanismen sich in der Spannungs-Dehnungs-Charakteristik, in der Temperaturentwicklung und bei den kalorischen Zustandsgrößen signifikant widerspiegeln. Dies trifft insbesondere auch dann zu, wenn die Versuchsanforderungen minimiert werden und die gemessenen Temperaturänderungen klein sind. Die Ergebnisse der Arbeit weisen mit der Erweiterung des veränderlichen Temperaturfeldes einen Zugewinn in der Physikalität der thermodynamisch konsistenten Materialgesetze nach. N2 - Applicable material laws within the framework of phenomenological continuum mechanics are characterized by the deformation mechanisms considered and are usually applicable for a range of validity to be specified. The mathematical tools used give a sufficient margin to fit the experimental data. However, they only include the physicality of the material law to a certain extent, since the thermodynamic process of the deformation is treated as approximately isothermal. In this work, the deformation under mechanical load is understood as a complete thermodynamic process, which includes a temperature evolution in the material and evaluates the caloric state variables. The concepts of continuum thermomechanics are used in the description and the generation of thermodynamically consistent material laws. The associated microstructurally motivated, evolutionary variables describe the nonlinear behaviour of a wide range of material classes and is applicable to complex loading paths. In order to make this useful for the determination of suitable material laws, the infrared thermography is used and is integrated into the measurement procedure to obtain the surface temperature for the full load path. The main focus is on the technically relevant application range of small deformation gradients at room temperature. On the basis of characteristic load paths for metallic structural materials, it will be shown that the dynamics of the deformation mechanisms are reflected in the stress-strain characteristics, in the temperature evolution and in the characteristics of caloric state variables. This is particularly true even when the test requirements are minimized and the measured temperature changes are small. With the extension of the evolving temperature field, the results of this work prove a gain in the physicality of thermodynamically consistent material laws. KW - Thermomechanik KW - Infrarotthermografie KW - Viskoplastizität KW - Eigenerwärmung KW - Thermomechanics KW - Infrared Thermography KW - Viscoplasticity KW - Self–heating KW - Thermomechanik KW - Eigenerwärmung KW - Viskoplastizität KW - Infrarotthermographie Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64197 ER -