Skalierbarer Simulationsansatz für schnellere Ergebnisse

Simufact Welding bietet die Flexibilität, den passenden Ansatz für das jeweilige Berechnungsziel zu wählen.

Wie Modellvereinfachungen in Simufact Welding funktionieren

Bei einer voll gekoppelten transienten thermomechanischen Simulation wird in jedem Zeitinkrement ein Temperaturfeld berechnet. Diese thermische Berechnung braucht – verglichen mit der mechanischen – noch relativ wenig Rechenzeit, und diese sinkt auch in gutem Verhältnis zur Anzahl der verwendeten Prozessorkerne. Wenn es sich um ein Material mit Gefügeumwandlung handelt, werden auch die Gefügeanteile während des thermischen Schrittes berechnet; dann ist es praktisch ein thermo-metallurgischer Schritt. Nach jedem thermischen Schritt folgt ein mechanischer, wo aus dem gerade ermittelten Temperaturfeld thermische Dehnungen berechnet werden. Diese fungieren als mechanische Lasten, aus denen Verzüge und Spannungen resultieren. In Bezug auf die Rechenzeit ist dieser mechanische Schritt recht aufwändig.

Wenn das Modell gut konvergiert und die thermische Berechnung gute realistische Ergebnisse liefert, kann normalerweise die oben beschriebene volle Kopplung durch eine schwache Kopplung ersetzt werden. Das heißt, dass nicht auf jedes thermische Inkrement ein mechanisches folgt, sondern nur auf jedes n-te Inkrement, wobei n eine Zahl größer 1 ist. Bei konvergierenden Modellen mit ausreichend kleinen Zeitinkrementen geht dabei gewöhnlich nicht viel Genauigkeit verloren, aber die Rechenzeit sinkt rapide. Der Level der Entkopplung kann in Simufact Welding für jeden Lastfalltyp (Schweißen, Abkühlen, Erwärmen usw.) einzeln für jeden Prozess definiert werden.

Zusätzlich zur Entkopplung kann man auch die Menge der Ausgabedaten reduzieren und Plattenplatz sparen, indem man Ergebnisse nur für gekoppelte Inkremente anfordert. Die Entkopplung ändert nichts am Modell, es ändert sich nur der Level der Kopplung.

Eine weitere Möglichkeit, die Rechenzeit deutlich zu reduzieren, ist die Verwendung eines sogenannten Temperaturzyklus statt der transienten Wärmequelle. Denn eine transiente Berechnung, bei der die Wärmequelle als bewegter Wärmestrom modelliert wird, benötigt viele Rechenschritte, um diese Bewegung abzubilden. Die Alternative ist, den Wärmestrom durch eine vorgegebene Temperatur-Zeit-Kurve zu ersetzen, die auf die gesamte Schweißnaht auf einmal wirkt. Dieser Ansatz liefert gute Ergebnisse für den Verzug bei Problemstellungen, wo der Verzug durch das Schrumpfen entsteht, vernachlässigt aber die meisten Stauchungseffekte. Die Rechenzeit wird dabei erheblich reduziert.

Außerdem gibt es noch Vereinfachungsansätze, die auch die Schweißfolge vernachlässigen.

Die Einschuss-Lösung ersetzt automatisch alle Wärmequellen im Modell durch Temperatur-Zeit-Kurven und berechnet auch die Schweißdauer jeder Schweißnaht sowie die Deaktivierungszeit von Spannwerkzeugen neu, wobei alle Wärmequellen auf einmal aufgebracht werden. Je nach Modell kann die Ergebnisqualität ausreichend hoch oder eher niedrig sein. Für ein bereits erzeugtes Modell ist es wenig Aufwand, auf diesen Vereinfachungsansatz zu wechseln: der Anwender muss nur die Einschuss-Lösung in den Prozesseinstellungen aktivieren und eine Temperaturzyklus-Tabelle zum Aufbringen der Wärme wählen.

Eine weitere Vereinfachung bietet der Ansatz des Schrumpfens. Er ist nur anwendbar für Prozesse, bei denen alle Schweißnähte ein Schweißzusatzmaterial haben. Hier werden das nichtlineare Materialverhalten und der Wärmeübergang zwischen Nahtelementen und Grundmaterial vernachlässigt. Die Nahtelemente erfahren eine thermische Belastung, die zu einem Schrumpfen führt, durch die Schrumpfung verformt sich auch der Rest der Baugruppe. Die Ergebnisqualität ist stark modellabhängig - manche Modelle eignen sich sehr gut für solche Ansätze, andere produzieren etwas ungenaue Ergebnisse. Um den Schrumpfungs-Ansatz zu aktivieren, muss der Anwender ihn nur in den Prozesseinstellungen anklicken. Alles Weitere berechnet die Simufact Welding Benutzeroberfläche automatisch.

Empfehlungen: Wo kann man vereinfachte Ansätze verwenden

Auch ziemlich große Modelle können innerhalb kurzer Zeit ausgegeben werden.

Für das Widerstandspunktschweißen bietet Simufact Welding vier verschiedene Ansätze, um die Berechnung zu beschleunigen. Von der optimal genauen transienten voll gekoppelten Methode bis hin zu Einschuss- und rein mechanischen Lösungen können Ergebnisqualität und Rechenzeit flexibel variiert werden, passend zu den Simulationszielen.

Anhand der untenstehenden Tabelle kann eine passende Vereinfachung für die zu erreichenden Simulationsziele gewählt werden.

Simufact Welding bietet die Flexibilität, den passenden Ansatz für das jeweilige Berechnungsziel zu wählen.

Ähnlich wie die transienten Ansätze beim thermischen Fügen, bilden auch die transienten gekoppelten Simulationen beim Widerstandspunktschweißen die gekoppelten physischen Vorgänge hinter dem Schweißprozess vollständig ab. Sie schließen die durch Strom erzeugte Joulesche Wärme ebenso wie metallurgische und mechanische Simulation im Hinblick auf die Schweißfolge ein.

Allgemein sinkt hier die Rechenzeit direkt abhängig von der Anzahl der Schweißpunkte im Modell. Je mehr Schweißpunkte es gibt, desto mehr Rechenzeit kann gespart werden. Verzüge und andere Ergebnisse sind an allen Punkte sehr ähnlich. Die Hauptunterschiede zum zeitabhängigen Modell, das die Schweißfolge berücksichtigt, sind:

• Vernachlässigung des Kurzschlusseffektes
• Alle Punkte werden auf der undeformierten Geometrie geschweißt

Der mechanische Ansatz, zu aktivieren in den Prozesseinstellungen (wie im Bild oben gezeigt), erfordert ein bereits definiertes Modell. Er vernachlässigt alle Kopplungseffekte, es wird einfach eine Kraft auf die Elektroden aufgebracht, und die Oberflächenbereiche der Werkstücke, die sich zwischen den Elektroden berühren, werden fest verbunden. Die Schweißfolge wird berücksichtigt. Für den Gesamtverzug der Baugruppe liefert dieser Ansatz gute Ergebnisse. Die Detailergebnisse in den Schweißpunkten sind eher ungenau, da das Material keine Temperatur sieht. Besonders wenn es um Bewertung der Materialeigenschaften und Spannungen in den Schweißpunkten geht, wird der mechanische Ansatz daher nicht empfohlen.