Prädiktive Simulation von Reibschweißungen

Der Lehrstuhl beschäftigt sich mit der numerischen Simulation von Fertigungsprozessen, insbesondere dem Rotationsreibschweißen. Der Fokus liegt dabei auf der ganzheitlichen Verknüpfung von Ansätzen der technischen Mechanik, der Numerik, der Thermodynamik, der Tribologie und der Werkstofftechnik. Hervorzuheben sind u.a. die dynamische Neuvernetzung des Modells in Kombination mit einer impliziten Geometriebeschreibung, sowie das an die Fließspannung gekoppelte Reibgesetz.

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Analyse, Auslegung und Optimierung des Reibschweißprozesses

Die Simulation erlaubt das Erproben neuer Technologien, beziehungsweise die Optimierung von bestehenden Prozessen. Mithilfe eines kalibrierten Simulationsmodelles lassen sich so kostenintensive Reibschweißversuche (bspw. bei großen Teiledurchmessern oder komplexen Fügestellengeometrien) einsparen.

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Ausgangsgeometrie/Idee Konturplot des Temperaturfeldes Schliffvergleich sowie FE-Netz

Praktische Anwendungsfelder der Simulation sind die Erhöhung des Prozessverständnisses, die Entwicklung innovativer Fügestellengeometrien und Prozessabläufe, die Optimierung der Prozessparameter, simulativ unterstütze FMEA und viele weitere. Für die Simulationen wird die inhouse entwickelte Software virtua RFW (Homepage) eingesetzt.

Aktuelle Anschlussuntersuchungen

Eigenspannungsentwicklung unter Einbeziehung der Gefügeumwandlungen bei Stählen

In vielen Fällen sind Eigenspannungen und Bauteilverzug unerwünschte Nebeneffekte von Umform- und Schweißprozessen. Die Simulation kann helfen, Eigenspannungen abzuschätzen und zu verstehen und bietet gegenüber der experimentellen Messung die Vorteile, dass die Spannungsverteilung in der gesamten Struktur bestimmt wird und zudem der Entstehungsprozess nachverfolgbar ist. Eine entscheidene Rolle bei der simulativen Prädiktion spielt dabei die Kenntnis über Werkstoffveränderungen. Speziell bei Stählen laufen Phasenumwandlungen ab, die signifikant von der Abkühlgeschwindigkeit abhängig sind, und u.a. das Fließverhalten mitbeeinflussen. Ein Vergleich mit experimentellen Ergebnissen aus der Literatur zeigt bereits eine gute Übereinstimmung zwischen prädiktierten und gemessenen Eigenspannungen. Darüber hinaus können am Lehrstuhl eigene Messungen (DMS-basiert, vgl. Bohrlochmethode) durchgeführt werden. Kontakt

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Radiale, axiale und tangentiale Eigenspannungen (v.l.n.r.) in Ringelementen aus dem Versuch (rechts) und der Simulation (links)
(Quelle: Grant et al. Finite element process modelling of inertia friction welding advanced nickel-based superalloy.
Materials Science & Engineering: A, 513-514:366-375, 2009.)

Numerische Modellierung der verbindungsbildenen Mechanismen beim Pressschweißverfahren

Ziel des Vorhabens ist es, einen Beitrag zur Entwicklung, Erprobung und Implementierung einer Methodik zur Abbildung der verbindungsbildenen Mechanismen von Pressschweißverfahren zu leisten. Das Forschungsprojekt stellt eine Erweiterung der bisher am Lehrstuhl für Technische Dynamik auf dem Gebiet der Prozesssimulation durchgeführten Arbeiten dar. Mit Hilfe der angestrebten Modellierungstechnik wird es erstmals möglich sein, die für Pressschweißverfahren maßgebliche Größe der Verbindungsfestigkeit in Abhängigkeit der Prozess-, Werkstoff- und Geometrieparameter zu prädiktieren. Kontakt

Untersuchung des Einflusses der Reibdrehzahl auf die Bauteilverkürzung

Eine generelle Herausforderung bei der Abbildung von reibungsbasierten, rotatorischen Fügeverfahren ist, dass die bekannten Reibmodelle den Drehzahleinfluss nicht berücksichtigen. Ein vielversprechender Ansatz ist die Modifikation des Reibmodells dahingehend, dass dieses um eine drehzahlabhängige Schlupfgeschwindigkeit erweitert wird. Kontakt

Experimentelle Werkstoffuntersuchungen und Versuchsdurchführung

Identifikation der thermomechanischen Werkstoffeigenschaften

Die präzise Identifikation der Modellparameter ist eine notwendige Voraussetzung für eine gute Abbildungsqualität der Simulation. In Kooperation mit dem Institut für Werkstoff- und Fügetechnik (Homepage) wurde speziell für die Akquise der Warmfließparameter eine innovative Methodik entwickelt. Diese erlaubt die genaue Bestimmung der Warmfließparameter bei gleichzeitiger Reduzierung des Probenaufwandes. Zur Verfügung steht dafür eine Gleeble 3500, mit welcher es möglich ist, die thermomechanischen Materialzustände des Reibschweißens in einem Modellversuch nachzufahren und messtechnisch genauestens zu erfassen. Auch die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität können über Hot-Disk, Laserflash und Differenzkalometrie experimentell ermittelt werden.

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Isothermendarstellung des Materialgesetzes
eines unlegierten Baustahls (S355)

Begleitung von Reibschweißversuchen

Zusätzlich besteht durch die enge Kooperation mit der Hochschule Magdeburg-Stendal (Homepage) die Möglichkeit, experimentelle Reibschweißversuche und Nachfolgeuntersuchungen gemeinsam zu planen und durchzuführen.

Letzte Änderung: 07.10.2019 - Ansprechpartner:

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