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ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting June 24 26,
2015, Messe Bremen
Analytisch-numerisches Hybridmodell zur Verzugssimulation beim
Flammenrichten von
Grostrukturen
F. Kuke, N. Doynov, V. Michailov
BTU Cottbus-Senftenberg, Lehrstuhl Fge- und Schweitechnik,
Cottbus, Deutschland
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Verfahrensprinzip nach DIN 8522 rtlich begrenzte Erwrmung
infolge behinderter Wrmeausdehnung tritt eine bleibende Stauchung
ein bei der Abkhlung entstehen Krfte, die zu einer Formnderung
fhren
Erwrmung
Stauchung
freie Schrumpfung
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Wagon-Fertigung
(Fotos: Alstom Transport Germany AG)
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Sektions-Fertigung im Schiffbau
(Fotos: Mayer Werft AG)
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Das Ziel der Untersuchungen ist es, durch eine Erweiterung des
analytischen Schrumpfkraftmodells und dessen Kopplung mit der
numerischen Strukturanalyse die nachhaltige industrielle Umsetzung
des analytisch-numerischen Hybridmodells zur Vorhersage und
Minimierung bzw. Beseitigung des Verzuges von Grostrukturen nach
dem thermischen Richten zu gewhrleisten.
Berechnung der
Maximaltemperaturen und plastischen
Dehnungen (analytisch)
Berechnung der entstehenden
Verschiebungen (numerisch)
Vorhersage von Richtkoordinaten und
Richtfolgen
Aufgabe: Entwicklung eines praxisnahen Berechnungsmodells zur
Abbildung der Maximaltemperaturen und des Verzuges beim
Flammenrichten (Wrmefleck) von Grostrukturen
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Experimentell Rechnerisch Aufzeichnung des
Temperaturfeldes Berechnung der Maximaltemperaturen
Analytische Berechnung der plastischen Dehnungen
Linear elastische FE Analyse Berechnung der Verschiebungen
Vergleich der Verschiebungen
Vergleich der Maximaltemperaturen
Aufzeichnung der Verschiebungen
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Kameras
Werkstck
Brenner
Thermoelemente
Farbmuster
Rckseite
Brennerseite
Thermoelemente
Werkstck
3D Aufnahme der Verschiebungen bzw. Dehnungen mit ARAMIS
3, 6 und 8 mm
Kegellnge (neutral Gem.)
03
Aufzeichnung der Temperaturen
s, mm Brenner C2H2, l/h lk, mm lkb, mm tErw, s rFl , mm
3 Gr. 3 110-300 5-14 0-3 2-4 9,5-17
6 Gr. 5 500-600 11-14 0-1 3,8-4,5 12-14,5
Gr. 6 780-1050 14-20 0-1 2,4-4,6 12-20
8 Gr. 6 750 - 1050 14-18 0-3 5-6 19-24,5
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Brennergre (bekannt)
Acetylenverbrauch (unbekannt) Vermischungsgrad (abgeschtzt)
Druck (unbekannt, unkontrolliert) Kegellnge (abgeschtzt) Abstand
zur Oberflche
(abgeschtzt, gesteuert)
Erwrmungszeit (gesteuert)
Subjektive Einstellung nach Form des Flammenkegels Subjektive
Steuerung nach Glhfarben, Fleckgre
Prozessparameter
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Modellparameter zur Berechnung der Maximaltemperaturverteilung
beim Flammenrichten anhand des Acetylenverbrauches
Leistung der Wrmequelle Verteilung der Wrmequelle
nach Rykalin:
effHCeff Dq 2234,13=
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 1000 2000 3000
Acetylenverbrauch, l/h
Wirk
ungs
grad
, -
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
0 1000 2000 3000
Acetylenverbrauch, l/h
Ver
teilu
ngsr
adiu
s, m
m
( ) 305,12923,349ln569,4220
+= HCDr
239,0894,425
exp773,0 22 +
= HCeff
D
]/[22
hlDwobei HC
Regressionsanalyse der Messdaten von [Rykalin]
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Brennergre nach DIN 8543
Ace
tyle
nver
brau
ch, l
/h
Rykalin
Linde Group*
MW Wurzen
qmax
r0 qmax/e ( )
02
2
20
2
)( Teercs
tqrT s
rreff
m
k
+
=
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Kalibrierung des Modells anhand der Kombination von Brennergre
und Fleckradius (Anlassfarben)
qmax r0 qmax/e
( )[ ] 20 FleckFleckeff rescTTtq =
( )
02
2
20
2
)( Teercs
tqrT s
rreff
m
k
+
=
20
2 4 rar +>
Modellparameter zur Berechnung der Maximaltemperaturverteilung
beim Flammenrichten anhand des Fleckradius Leistung der Wrmequelle
Verteilung der Wrmequelle
(nach Rykalin) (Schaeffler STT 2014)
Anlassfarben
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Gegenberstellung der Berechnungsmethoden Berechnung
Brennerleistung ber den Fleckradius und Acetylenverbrauch sehr gute
bereinstimmung der analytischen und numerischen Ergebnisse
Anwendung fr Blechstrken bis 3 mm
Berechnung der Tmax ber den Fleckradius Berechnung der Tmax ber
den Acetylenverbrauch
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Modellparameter zur Berechnung der Plastizittszone Grundlegender
Zusammenhang Korrekturfunktion (Ks)
seffth
m Tercstq
r
2)( 02 +
+
=
Berechnung der thermischen Dehnung Berechnung der plastischen
Dehnungen (p =2s),
ohne Vorspannung Berechnung des Radius der Plastizittszone
(rpz)
bzw. der Flche
Tmax
r
4s 2
s
(max)
r
2s
rpz
rpz
=s
s
decstq
r effs
pz
4
221
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2
pzr
bertragung der analytisch berechneten Gren auf das FE Modell
Bemessung der Plastizittszone
Belastung des Modells mit den plastischen Dehnungen (P)
Berechnung der Verschiebungen anhand der linear elastischen FE
Analyse
Dehnungsfeld Verschiebungsfeld
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Validierung des Hybridmodells Gegenberstellung der gemessenen
und ermittelten Verschiebungen auf der
Rckseite des Bleches (RS) berechnete (FE UR) und gemessene (UR1
und UR2) Verschiebungen
zeigen sehr gute bereinstimmungen
Verschiebung in radialer Richtung
Messung
Hybrid Berechnung
UR1
UR2
Verschiebung, mm
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-250 0 250 MPa
Zusammenfassung experimentelle Untersuchungen zum Flammenrichten
an Blechen ohne Vorspannung
Entwicklung eines praxisnahen hybriden Berechnungsmodells
gltig fr Blechstrken 3mm
Berechnung der realen Verschiebungen nach dem Richten Ausblick
Einbeziehung der Dehnungen nach dem Schweien u. whrend des
Richtprozesses
Weiterentwicklung der Berechnungsmethodik fr Bleche > 3
mm
programmtechnische Umsetzung eines analytischen
Berechnungsmodells
Fertigstellung eines Kopplungsalgorithmus
Umsetzung in einer Kopplungsroutine
Instrumentierte Fertigung eines Demonstrators
Erstellung von Schwei- und Richtszenarien
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Vielen Dank fr Ihre Aufmerksamkeit!
Das Forschungsvorhaben mit IGF-Nr. 17970 BR der
AiF-Forschungsvereinigung FOSTA -Forschungsvereinigung
Stahlanwendung e.V. Wird im Rahmen des Programms zur Frderung
der
industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom
BMWi aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages
gefrdert.
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Flammenrichten von GrostrukturenFoliennummer 2Foliennummer
3Foliennummer 4Foliennummer 5Foliennummer 6Foliennummer
7Foliennummer 8Foliennummer 9Foliennummer 10Foliennummer
11Foliennummer 12Foliennummer 13Foliennummer 14Foliennummer
15Foliennummer 16