Werkstoffmodellierung zur Bestimmung der Werkstoffeigenschaften in der numerischen Schweißsimulation

• Antragsteller: Dr.-Ing. Thomas Nitschke-Pagel, seit 5/2024
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 471313862

Um das Transportgewicht zu reduzieren und damit Kosten zu senken, werden zunehmend Leichtbaustähle wie der ultrahochfeste Stahl S960 und der hochfeste Stahl TRIP700 verwendet. Das Lichtbogenschweißen zählt zu den Hauptverfahren, um diese Stähle zu verbinden. Dennoch sind Eigenspannungen und Verzug auf Grund der inhomogenen Wärmeeinbringung unvermeidlich. Um die Tragfähigkeit der Schweißkonstruktionen zu optimieren, wird die numerische Simulation zur Vorhersage des Temperaturfeldes, der Eigenspannungen und der Verformungen eingesetzt. Die Materialmodellierung ist eines der Hauptgebiete der numerischen Simulation. Aufgabe der Materialmodellierung ist es, die Eingangsdaten für das Material zu ermitteln. Derzeit lassen sich anhand verschiedener Methoden wie bspw. der experimentellen Methode thermische und mechanische Eigenschaften ermitteln. Dennoch ist, insbesondere für hochfeste Stähle, nicht bekannt, welches die zuverlässigste Methode zur Bestimmung der Werkstoffeigenschaften für die Schweißsimulation darstellt. Daher ist es notwendig, Sensitivitätsanalysen durchzuführen, um den Einfluss der Variation der Werkstoffeigenschaften auf das vorhergesagte Schweißtemperaturfeld, die Eigenspannungen und Verformungen zu untersuchen.Als Grundlagenforschung werden zahlreiche Simulationsfälle umfangreich gestaltet, um den Einfluss von Materialeigenschaften auf die berechneten thermomechanischen Ergebnisse systematisch zu untersuchen. Es werden experimentelle Werkstoffuntersuchungen durchgeführt, um die thermischen und mechanischen Eigenschaften zu ermitteln. Es werden Schweißversuche durchgeführt, um Temperaturverläufe, Eigenspannungen und Verformungen zur Validierung der Berechnungen zu messen. Basierend auf den experimentellen und numerischen Ergebnissen wird der Einfluss der Variation der thermischen und mechanischen Eigenschaften auf das berechnete Schweißtemperaturfeld, die Eigenspannungen und die Verformungen analysiert. Weiterhin soll anhand der Simulation geklärt werden, ob die Variation der Materialeigenschaften auf die Ergebnisse bei Dünnblechschweißungen vergleichbar mit denen von Dickblechschweißungen ist. Das Variationsspektrum der vorhergesagten thermomechanischen Ergebnisse, die durch die Variation der Materialeigenschaften hervorgerufen werden, wird aufgezeigt. Diese Kenntnis ist für die Analyse der Abweichungen zwischen den Vorhersagen und den experimentellen Ergebnissen sehr hilfreich. Überdies wird die Zuverlässigkeit der bereitgestellten empirischen Gleichungen, die hauptsächlich von unlegierten Stählen und konventionellen hochfesten Stählen abgeleitet wurden, zur Bewertung der Materialeigenschaften für S960 und TRIP700 bewertet. Außerdem werden die Eingangsgrößen der numerischen Schweißsimulation nach ihrer Relevanz hinsichtlich der Ergebnisse geordnet. Es wird ein Leitfaden für die Ermittlung von Materialeigenschaften zur Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit erstellt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Dr.-Ing. Jiamin Sun, Ph.D., bis 5/2024