Skalierbarer Simulationsansatz für schnellere Ergebnisse

Simufact Welding bietet einen skalierbaren Simulationsansatz: je nach gewünschter Ergebnisqualität ist die Komplexität des Modells so flexibel einstellbar, dass dadurch die Rechenzeit zwischen mehreren Wochen und wenigen Stunden skaliert werden kann.

Die Software bietet mehrere Optionen, das Modell zu vereinfachen und – als Ergebnis – die benötigte Rechenzeit zu reduzieren. Besonders wertvoll ist diese Funktionalität

  • für große Schweißmodelle mit Dutzenden Komponenten und manchmal Hunderten Schweißnähten, die mit dem gewöhnlichen transienten Ansatz lange Rechenzeiten haben
  • in Situationen wo mehrere Varianten von Schweißbaugruppen berechnet werden sollen und es dabei um den Vergleich verschiedener Baugruppen geht (zum Beispiel Positionen von Spannwerkzeugen oder Versteifern)

Vereinfachungsansätze reduzieren stets die Qualität und die Menge der Ergebnisse, doch für bestimmte Untersuchungen reichen sie häufig aus.

Für Vereinfachungen eines Schweißmodels kommen verschiedene Ansätze oder Kombinationen davon in Betracht:

  • einige Kopplungseffekte vernachlässigen oder den Level der Kopplung reduzieren
  • den Einfluss bewegter Wärmequellen vernachlässigen, dadurch wird das plastische Aufstauchen vereinfacht abgebildet
  • den Einfluss der Schweißfolge vernachlässigen, einfach alle Lasten auf einmal aufbringen

Modellvereinfachungen beim thermischen Fügen

Für das thermische Fügen bietet Simufact Welding fünf Modellierungsansätze: von exakter, aber langsamer transienter thermomechanischer, voll gekoppelter Rechnung bis hinunter zum schnellen einfachen Schrumpfen.

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.

 

Menüeinstellungen für die Entkopplung in Simufact Welding
Menüeinstellungen für die Entkopplung in Simufact Welding

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.

Auswahl Einschuss-Lösung / Schrumpfen in der Benutzeroberfläche
Auswahl Einschuss-Lösung / Schrumpfen in der Benutzeroberfläche

Empfehlungen: Wo kann man vereinfachte Ansätze verwenden

Rechenzeiten und Ergebnisse für ein vereinfachtes Schiffselement mit 470 000 Elementen und 16 Schweißnähten. Detaillierte Informationen dazu finden Sie in: Gatzen. M., Methode zur schnellen Verzugsvorhersage mit Simufact Welding, 17. Simufact Round Table

Auch ziemlich große Modelle können innerhalb kurzer Zeit ausgegeben werden.

Temperaturzyklus, Einschuss-Lösung und Schrumpfen in derselben Skalierung angezeigt. Der Y-Verzug sieht überall ähnlich aus, während der Gesamtverzug beim Schrumpfen deutlich abweicht. Der Grund liegt darin, dass bei diesem Modell der Y-Verzug wesentlich durch Schrumpfung bestimmt wird, während es für die anderen Richtungen auch einen Einfluss der Stauchung gibt, die beim Ansatz des Schrumpfens völlig vernachlässigt wird.

Entkopplung kann man praktisch in allen Situationen verwenden, abhängig davon, wie stabil die Rechnung für das Modell läuft. Vorsicht ist bei Phasenumwandlungen geboten: zu grobe Entkopplung kann dazu führen, dass die sich durch Phasenumwandlung ändernden Materialeigenschaften nicht ausreichend im mechanischen Schritt berücksichtigt werden.

Der Temperaturzyklus ist auch in den meisten Fällen einsetzbar. Er lohnt sich jedoch von der Rechenzeit (Anzahl benötigter Inkremente) her vor allem, wenn die Schweißnaht, wo der Temperaturzyklus aufgebracht wird, lang genug ist.

Die Einschuss-Lösung wird für Modelle mit einer hohen Anzahl von Schweißnähten empfohlen. Sie verwendet die Temperaturzyklus-Methode und vernachlässigt außerdem die Schweißfolge. Gute Ergebnisse liefert sie, wenn sich die Schweißnähte im Modell nicht gegenseitig beeinflussen, also keine bemerkenswerten Kontaktbereiche haben.

Das Einsatzgebiet des Schrumpfens ist ähnlich wie bei der Einzelpunkt-Lösung; zusätzlich wird auch der Einfluss des plastisch aufgestauchten umliegenden Werkstoffs vernachlässigt.

Einschuss-Lösung und Schrumpfen können eine schnelle Abschätzung der Schweißverzugsrichtungen liefern. Auch können sie verwendet werden, um in kurzer Zeit zu prüfen, ob das Modell richtig aufgesetzt ist. Wenn beispielsweise ein Element in einer Schweißnaht, die erst gegen Ende des Prozesses geschweißt wird, schlechte Elementqualität oder Kontaktprobleme hat und dadurch Konvergenzschwierigkeiten (und evtl. instabile Simulation) verursacht, stellt sich das beim normalen Berechnungsansatz mit berücksichtigter Schweißfolge erst dann heraus, wenn diese Schweißnaht an der Reihe ist – vielleicht nach tage- oder sogar wochenlanger Rechenzeit. Die Schweißfolge erst einmal zu vernachlässigen, ermöglicht eine Einschätzung der Modellqualität binnen Minuten oder wenigen Stunden.

Diese vereinfachten Ansätze helfen auch bei der Auslegung der Schweißbaugruppe. Auch ohne exakte Ergebnisse zu liefern, ermitteln sie den Einfluss, den geänderte Schweißbaugruppen, Spannvorrichtungen und Schweißnahtpositionen typischerweise auf die Gesamtverzüge haben. So können verschiedene Varianten der Baugruppe in relativ kurzer Zeit berechnet und im Hinblick auf die Endergebnisse verglichen werden, um die beste Auslegung für die Schweißbaugruppe zu finden.

Modellvereinfachungen beim Widerstandspunktschweißen

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.

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.

Auswahl der Einzelpunkt-Lösung beim Widerstandspunktschweißen in Simufact Welding
Auswahl der Einzelpunkt-Lösung beim Widerstandspunktschweißen in Simufact Welding

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
Ergebnisvergleich zwischen voll gekoppelter und Einzelpunkt-Rechnung
Ergebnisvergleich zwischen voll gekoppelter und Einzelpunkt-Rechnung

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.

Mechanische Lösung für das Widerstandspunktschweißen
Mechanische Lösung für das Widerstandspunktschweißen

Der Temperaturzyklus-Ansatz ist sehr ähnlich wie beim thermischen Fügen. Die Idee ist: wenn eine Temperaturkurve in einem einzelnen Schweißpunkt im Schweißprozess bekannt ist (aus Messungen oder Prozesssimulation), sollten andere Punkte, die mit denselben Parametern geschweißt werden, sehr ähnlich sein.

Beim Temperaturzyklus-Ansatz muss das Punktschweißmodell wie gewöhnlich aufgebaut sein. Der einzige Unterschied liegt in der Definition der Punktschweißparameter. Um den Ansatz zu aktivieren, wird der Definitionsmodus auf „Temperaturzyklus“ umgeschaltet. Dann lässt sich eine Temperatur-Zeit-Tabelle eingeben. Die Länge der Tabelle wird passend zur Länge der definierten Krafttabelle skaliert.

Danach kann der Querschnitt der Schweißlinse als elliptische oder zylindrische Geometrie festgelegt werden.

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