Entwicklung und anwendungsorientierte Validierung einer zuverlässigen Smoothed Particle Hydrodynamics Diskretisierung für Festkörper zur Beschreibung des Rührreibschweißens

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Peter Eberhard; Professor Dr. Siegfried Schmauder
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388107621

Das beantragte Forschungsvorhaben beinhaltet die zweite Phase eines Projektes, das sich mit der Simulation des Rührreibschweißens mit der Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)-Methode beschäftigt. Rührreibschweißen ist ein Festkörperfügeverfahren, bei dem verschiedene voneinander abhängige Phänomene auftreten. Diese umfassen plastische Verformung mit hohen Dehnungen und Dehnraten, Wärmeerzeugung aus plastischer Verformung, Reibung sowie Verschweißung von Werkstoffen im Festkörperzustand. Die gitterfreie SPH-Methode bietet die Möglichkeit, Problemstellungen mit großen Verformungen und verschiedenen physikalischen Effekten zu simulieren.In der ersten Phase des Projektes wurde ein physikalisch motiviertes Materialmodell für die Simulation des Rührreibschweißens entwickelt. Weiterhin wurde die Problemstellung der Verfolgung der Partikelorientierung untersucht, gelöst, getestet und in einer Veröffentlichung dokumentiert. Als Teil des zweiten Arbeitspaketes wurden Möglichkeiten zur adaptiven Diskretisierung basierend auf dem Diskretisierungsfehler durchgeführt. Das Ergebnis ist eine neuartige Strategie zur Partikelverfeinerung oder –vergröberung während einer Simulation.Das Gesamtziel der zweiten Phase des Projektes entwickelte sich aus der ersten Phase. Die SPH-Methode soll für die Simulation von Festkörperproblemen maßgeblich verbessert werden. Dabei soll nicht nur das Rührreibschweißen simuliert werden, sondern eine verlässliche, innovative Simulationsmethode für eine breite Reihe von industriellen Anwendungen entwickelt werden. Da das Rührreibschweißen verschiedene Charakteristiken aufweist, die auch in vielen anderen industriellen Fertigungsprozessen anzutreffen sind, bietet dies die Möglichkeit, Forschungsergebnisse später auch zu übertragen.Durch den verkürzten bewilligten Zeitrahmen der vorangegangenen Projektphase wurden nicht alle ursprünglich geplanten Aspekte bearbeitet. Die nicht behandelten Arbeitspakete werden in das neue Projekt übernommen. Das Materialmodell wird um Ausscheidungshärtung erweitert und die adaptive Diskretisierung wird validiert. Weiterhin wird ein Verbindungskriterium entwickelt, das angibt, ob eine Verschweißung zwischen den Werkstoffen stattfindet. Weiterhin wurden in der ersten Projektphase weitere Arbeitsfelder identifiziert. Diese beinhalten eine verbesserte SPH-Stabilisierung, eine Erweiterung der Reibungsmodellierung, sowie eine Verbesserung und Validierung der thermischen Modellierung. Den abschließenden Schritt bildet die Anwendung der verbesserten SPH-Formulierung auf das Rührreibschweißen, um die resultierende Nahtgeometrie und Mikrostruktur und damit die Qualität der Schweißung vorherzusagen. Die Genauigkeit der Simulationen wird durch einen Vergleich mit am IMWF durchgeführten Schweißversuchen überprüft.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen