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ANSYS Conference & 33 rd CADFEM Users' Meeting June 24 – 26, 2015, Messe Bremen Analytisch-numerisches Hybridmodell zur Verzugssimulation beim Flammenrichten von Großstrukturen F. Kuke , N. Doynov, V. Michailov BTU Cottbus-Senftenberg, Lehrstuhl Füge- und Schweißtechnik, Cottbus, Deutschland

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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

  • ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting June 24 26, 2015, Messe Bremen

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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

  • ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting June 24 26, 2015, Messe Bremen

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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

  • ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting June 24 26, 2015, Messe Bremen

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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

  • ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting June 24 26, 2015, Messe Bremen

    ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting June 24 26, 2015, Messe Bremen

    -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

  • ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting June 24 26, 2015, Messe Bremen

    ANSYS Conference & 33rd CADFEM Users' Meeting June 24 26, 2015, Messe Bremen

    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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