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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.
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.