DIN SPEC 32534-5-2012 Numerical welding simulation - Execution and documentation - Part 5 Example welding residual stresses in austenitic steels《数值焊接模拟 执行和文件材料 第5部分 奥氏体钢中焊接残余应力实例》.pdf

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1、August 2012 Normenausschuss Schweien und verwandte Verfahren (NAS) im DINPreisgruppe 10DIN Deutsches Institut fr Normung e. V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e. V., Berlin, gestattet.ICS 25.160.01Zur Erstellung einer DIN SPE

2、C knnen verschiedene Verfahrensweisen herangezogen werden: Das vorliegende Dokument wurde nach den Verfahrensregeln einer Vornorm erstellt.!$|*“1899807www.din.deDDIN SPEC 32534-5Numerische Schweisimulation Durchfhrung und Dokumentation Teil 5: Beispiel Schweieigenspannungen in austenitischen SthlenN

3、umerical welding simulation Execution and documentation Part 5: Example welding residual stresses in austenitic steelsSimulation numrique de soudage Excution et documentation Partie 5: Exemple contraintes rsiduelles de soudage dans les aciers austnitiquesAlleinverkauf der Spezifikationen durch Beuth

4、 Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 16 SeitenDIN SPEC 32534-5:2012-08 2 Nationales Vorwort Eine DIN SPEC nach dem Vornorm-Verfahren ist das Ergebnis einer Normungsarbeit, das wegen bestimmter Vorbehalte zum Inhalt oder wegen des gegenber einer Norm abweichenden Aufstellungsverfahrens

5、 vom DIN noch nicht als Norm herausgegeben wird. Zur vorliegenden DIN SPEC wurde kein Entwurf verffentlicht. Dieses Dokument (DIN SPEC 32534-5) wurde vom NAS-Arbeitsausschuss NA 092-00-29 AA, Schwei-simulation (DVS AG I 2.1), im Normenausschuss Schweien und verwandte Verfahren (NAS) erarbeitet. Weit

6、ere Teile sind in DIN SPEC 32534-1 aufgelistet. DIN SPEC 32534-5:2012-08 3 1 Anwendungsbereich Die vorliegende DIN SPEC enthlt ein Beispiel fr eine durchgefhrte Simulation fr Schweieigenspannungen in austenitischen Sthlen. Das Beispiel wurde in der Dokumentationsvorlage nach DIN SPEC 32534-2:2011-09

7、 fr eine numerische Schweisimulation nach DIN SPEC 32534-1:2011-03 dokumentiert. Weitere Beispiele fr verschiedene Dokumentationen, die auf der Grundlage dieser Vorlage erstellt wurden, werden in weiteren Teilen der Reihe DIN SPEC 32534 gegeben. 2 Normative Verweisungen Die folgenden zitierten Dokum

8、ente sind fr die Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen gilt nur die in Bezug genommene Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments (einschlielich aller nderungen). DIN SPEC 32534-1:2011-03, Numerische Schweisimulation

9、Durchfhrung und Dokumentation Teil 1: bersicht; Text Deutsch und Englisch DIN SPEC 32534-2:2011-09, Numerische Schweisimulation Durchfhrung und Dokumentation Teil 2: Dokumentationsvorlage; Text Deutsch und Englisch 3 Anwendungshinweise Das gezeigte Beispiel dient der Dokumentation einer ausgewhlten

10、mglichen Vorgehensweise. Alternative Methoden und Benennungen (Dateinamen, Variablennamen, etc.) sind ebenfalls, je nach Simulationsobjekt und Zielsetzung der Simulation, mglich und zulssig. Insbesondere die in den genannten Beispielen verwendeten Softwareprodukte stellen keine ausschlieliche Empfeh

11、lung fr das gezeigte sowie andere Simulationsobjekte dar. Im Hinblick auf die kontinuierliche Weiterentwicklung der Simulationsmethoden und Tools ist hufig der Einsatz alternativer Produkte mglich, hierbei liegt die Wahl eines spezifischen Softwareproduktes in der Verantwortung des Anwenders. Beispi

12、elsweise ist je nach Zielsetzung eine genauere Bestimmung der Streckenenergie durchzufhren. DIN SPEC 32534-5:2012-08 4 Firmenname: Musterfirma Abteilung: Berechnung Dokumentation der Schweisimulation nach DIN SPEC 32534-1:2011-03 Projekt: IIW-Round Robin Versuche Version: Beispiel 1.0 Datum: 2011-03

13、-15 Seite 1 von 13 Deckblatt mit Kurzbeschreibungen Simulationsobjekt: Mittige 2-Lagen TIG-Blindnaht in einer U-frmig vorbereiteten Ausfrsung auf einem auf drei Stiften gelagerten Blech (270 200 30 mm3) aus 316LNSPH mit Zusatzwerkstoff (316L). Zielsetzung der Simulation: Berechnung von Schweieigensp

14、annungen austenitischer Sthle unter Bercksichtigung unterschiedlicher Verfestigungsmodelle Physikalisches und mathematisches Modell: Die Temperaturausbreitung wird dreidimensional mit Finiten-Elementen beschrieben und mithilfe der Wrme-leitungsgleichung im Rckwrts-Differenzen-Verfahren transient ber

15、echnet. Das mechanische Verhalten wird mithilfe der Finiten-Elemente im Lastschrittverfahren berechnet. Lsungsmethode und verwendete Softwareprodukte: Thermisch-mechanische Simulation, SYSWELD 2008.1 Zusammenfassung der Ergebnisse: Mithilfe der Simulation kann die Eigenspannungsfreisetzung im Prozes

16、s erklrt werden. Die unter der Annahme einer isotropen Verfestigung berechneten Eigenspannungen liefern eine ausreichend genaue Beschreibung der Freisetzung von Schweieigenspannungen und bilden die Zugspannungsspitzen mit Werten deutlich oberhalb der Fliespannung des Grundwerkstoffes in 5 mm bis 8 m

17、m Entfernung von der Nahtmitte ab, die auch in den Messungen zu beobachten sind. Das kinematische Modell unterschtzt die kritischen Eigenspannungsspitzen. Zusammenfassung der Manahmen zur Absicherung der Simulationsergebnisse: Anmerkungen / Begrndungen Verifiziert x Ja Nein Netzkonvergenzstudie und

18、Parameterstudien Kalibriert x Ja Nein Anpassung der Temperaturverteilung an Schliffbilder und Thermoelementmessungen Validiert x Ja Nein Vergleich mit Verzugs- und Eigenspannungsmessungen Bemerkungen (optional): Bearbeiter: Max Mustermann, Berta Beispielfrau DIN SPEC 32534-5:2012-08 5 Firmenname: Mu

19、sterfirma Abteilung: Berechnung Dokumentation der Schweisimulation nach DIN SPEC 32534-1:2011-03 Projekt: IIW-Round Robin Versuche Version: Beispiel 1.0 Datum: 2011-03-15 Seite 2 von 13 Beschreibung der Schweisimulation 1. Simulationsobjekt siehe DIN SPEC 32534-1:2011-03, 4.1 Bei dem untersuchten We

20、rkstck handelt es sich um eine mittige 2-Lagen TIG-Blindnaht in einer U-frmig vorbereiteten Ausfrsung auf einem auf drei Stiften statisch bestimmt gelagerten Blech (270 200 30 mm3) aus 316LNSPH. Als Zusatzwerkstoff wird ein Zusatzdraht aus 316L mit einem Drahtdurchmesser von 1,2 mm verwendet. Bild 1

21、 zeigt die Werkstckgeometrie. Mae in Millimeter Bild 1 Werkstckgeometrie und Nahtvorbereitung Auf diesem Blech werden nach Ausfrsen einer U-frmigen Nahtvorbereitung zwei Blindnhte nacheinander mit folgenden Prozessparametern geschweit: Werkstck-temperatur Spannung a)Stromstrke a)Schweigeschwindigkei

22、t Drahtvorschub 1.Lage 20 C 9 V 154,9 A 40,4 mm/min 447 mm/min 2.Lage 20 C 8,9 V 154,7 A 40,1 mm/min 441 mm/min a)Laut Anzeige auf der Stromquelle. Das Versuchsprogramm einschlielich des zu simulierenden Objektes ist in 1 und 2 beschrieben. DIN SPEC 32534-5:2012-08 6 Firmenname: Musterfirma Abteilun

23、g: Berechnung Dokumentation der Schweisimulation nach DIN SPEC 32534-1:2011-03 Projekt: IIW-Round Robin Versuche Version: Beispiel 1.0 Datum: 2011-03-15 Seite 3 von 13 2. Zielsetzung der Simulation siehe DIN SPEC 32534-1:2011-03, 4.2 Schweieigenspannungen knnen sich negativ auf die Ermdungsfestigkei

24、t von geschweiten Verbindungen auswirken. Daher ist die Kenntnis bzw. deren Messung und Vorhersage von groem Interesse. Hierzu wurde ein internationaler Ringversuch durchgefhrt, welcher sowohl verschiedene Messmethoden als auch Berech-nungsmethoden am Beispiel des unter Punkt 1 beschriebenen Simulat

25、ionsobjekts miteinander vergleichen soll. Die durchgefhrten Eigenspannungsmessungen mit verschiedenen Messverfahren zeigen ein lokales Minimum in der Schweinahtmitte und Zugspannungsmaxima (Lngs- und Quereigenspannungen) im Abstand von 5 bis 8 mm von der Schweinahtmitte 3. Diese Extrema knnen mit bi

26、sherigen Berechnungen, welche mit einem kinematischen Verfestigungsmodell durchgefhrt werden, nicht erklrt werden 4. Es ist bekannt, dass der Bauschinger-Effekt bei stark mechanisch verfestigenden austenitischen Sthlen in Erscheinung tritt, daher erschien es zunchst sinnvoll, die Verfestigung kinema

27、tisch zu modellieren. Allerdings ergeben Vergleiche zwischen den Messungen und den entsprechenden Berechnungen groe Diskrepanzen bezglich des Verlaufs der Lngseigenspannungen. In der Literatur 5 wird beschrieben, dass der Bauschinger-Effekt nicht nur von der jeweiligen Stahlsorte, sondern auch von d

28、er Temperatur, bei welcher die Umformungen stattfinden, abhngt. Es wird empfohlen, die Verfestigung bei Raumtemperatur mit Hilfe einer Kombination aus dem kinematischen und isotropen Verfestigungsmodell zu berechnen 6. Somit erscheint es sinnvoll zu prfen, wie der austenitische Stahl verfestigt werd

29、en und welches Modell dies hinreichend genau beschreiben kann. 3. Physikalisches Modell siehe DIN SPEC 32534-1:2011-03, 4.3 Es wird zunchst die transiente Temperaturverteilung im Werkstck am unverformten dreidimensionalen System mithilfe der Wrmeleitungsgleichung berechnet. Zur Berechnung des Wrmeei

30、ntrags wird ein Ersatz-modell verwendet und die Wrmeverluste an allen Oberflchen infolge von Strahlung (Stefan-Boltzmann-Gesetz) und Konvektion bercksichtigt. Die Temperaturverteilung wird anschlieend als Ausgangsgre fr die Berechnung des mechanischen Verhaltens genutzt. Zum einen ergeben sich aus d

31、er Temperaturverteilung die thermischen Dehnungen als Last und zum anderen sind die mechanischen Werkstoffdaten temperatur-abhngig im Modell implementiert. Mit Erreichen der Schmelztemperatur wird die plastische Werkstoffhistorie gelscht. Bei der Berechnung des mechanischen Verhaltens kann sich das

32、Modell frei ausdehnen und schrumpfen. 4. Mathematisches Modell und Lsungsmethode siehe DIN SPEC 32534-1:2011-03, 4.4 Berechnung der Temperaturverteilung: Da nur das Werkstoffverhalten des festen Werkstoffes eine Auswirkung auf das Spannungs-Dehnungsverhal-ten hat, wird die durch das Schmelzbad einge

33、brachte Energie ber die in Bild 1 gezeigte Ersatzwrmequelle verteilt. Der Wrmeeintrag erfolgt jeweils pro Lage mit einer Volumenwrmequelle (Doppel-Ellipsoid) nach 7, die sich mit der Schweigeschwindigkeit entlang der Schweinaht bewegt. DIN SPEC 32534-5:2012-08 7 Firmenname: Musterfirma Abteilung: Be

34、rechnung Dokumentation der Schweisimulation nach DIN SPEC 32534-1:2011-03 Projekt: IIW-Round Robin Versuche Version: Beispiel 1.0 Datum: 2011-03-15 Seite 4 von 13 Bild 2 Ersatzwrmequelle nach 7 Die Leistungsverteilung innerhalb der Wrmequellen entspricht einer Gau-Verteilung in allen drei Raumrich-t

35、ungen und wird durch Gleichung (1) beschrieben: ( )( )( )22,1222222,136,ctvzMbyMaxMeeecbaQtzyxq=(1) Dabei ist q die Leistungsdichte; x, y, z die Raumkoordinaten im globalen Koordinatensystem; t die Zeit; Q die Leistung; a die halbe Breite des Schmelzbades; b die Tiefe; c1,2die Lnge der elliptischen

36、Verteilung nach vorne bzw. nach hinten; M der Gauparameter; v die Schweigeschwindigkeit; der Faktor zur Definition der Position der Wrmequelle zur Zeit t = 0. Der Wrmetransport im Werkstck wird mithilfe der Wrmeleitungsgleichung qat= (2) modelliert. Dabei ist die Temperatur in Celsius; pca=; die Wrm

37、eleitfhigkeit; die Dichte; cpdie spezifische Wrmekapazitt. DIN SPEC 32534-5:2012-08 8 Firmenname: Musterfirma Abteilung: Berechnung Dokumentation der Schweisimulation nach DIN SPEC 32534-1:2011-03 Projekt: IIW-Round Robin Versuche Version: Beispiel 1.0 Datum: 2011-03-15 Seite 5 von 13 Die Wrmeleitfh

38、igkeit und die spezifische Wrmekapazitt werden temperaturabhngig in der Rechnung bercksichtigt. Fr die Dichte wird der Wert bei Raumtemperatur verwendet, da die Temperaturausbreitung sequenziell am unverformten System berechnet wird. Die Wrmeverluste werden mithilfe des Stefan-Boltzmann-Gesetzes mod

39、elliert: ( )4u4TTAP = (3) Dabei ist P die Abstrahlverluste; die Stefan-Boltzmann-Konstante; der Emissionsgrad; A die Flche, T die aktuelle Temperatur der Oberflche in Kelvin und Tudie Temperatur der Umgebung in Kelvin. Die Wrmeverluste infolge von Konvektion werden als fester Wert je Temperaturnderu

40、ng angenommen. Die Lsung der Wrmeleitungsgleichung erfolgt im Rckwrts-Differenzen-Verfahren. Das System der zu lsen-den Differentialgleichungen kann vereinfacht als QKC =+ (4) dargestellt werden. Dabei ist C die Matrix der Wrmekapazitten; die Matrix der Wrmeleitfhigkeiten; Q der Wrmefluss. Die Lsung

41、 des Wrmeleitproblems erfolgt mit dem Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno-Lsungsalgorithmus (BFGS). Berechnung von Eigenspannungen und Verzgen: In der mechanischen Simulation wird das temperaturabhngige elastisch-plastische verfestigende Werkstoff-verhalten unter dem Einfluss thermischer Dehnungen mode

42、lliert. Die dazu erforderlichen und bercksichtigten Gren sind Wrmeausdehnungskoeffizient, Elastizittsmodul, Poisson-Zahl (Querkontraktionszahl) und die unter isothermen Bedingungen ermittelten Spannungsdehnungsbeziehungen einschlielich des Verfestigungs-verhaltens. Es wird isotrope und kinematische

43、Verfestigung einzeln oder auch kombiniert bercksichtigt. Beim Erreichen der angenommenen Schmelztemperatur von 1 450 C wird das Schmelzen durch das Zurcksetzen der akkumulierten plastischen Dehnungen bercksichtigt. Die mechanischen Randbedingungen werden in Form einer statisch bestimmten 3-Punkt-Lag

44、erung modelliert, das heit drei Knoten werden nur in entspre-chenden Raumrichtungen festgehalten (Verschiebungen in die jeweiligen Raumrichtungen sind Null). DIN SPEC 32534-5:2012-08 9 Firmenname: Musterfirma Abteilung: Berechnung Dokumentation der Schweisimulation nach DIN SPEC 32534-1:2011-03 Proj

45、ekt: IIW-Round Robin Versuche Version: Beispiel 1.0 Datum: 2011-03-15 Seite 6 von 13 Analog zu dem System zur Lsung des Wrmeleitproblems kann das Differentialgleichungssystem zur Lsung des mechanischen Problems als FKU = (5) dargestellt werden. Dabei ist K die Steifigkeitsmatrix; F die Krfte in den

46、Knoten; U die Verschiebung der Knoten. Die Lsung des mechanischen Problems erfolgt im Lastschrittverfahren mit der Methode der Finiten Elemente. Es wird ein iterativer Solver verwendet und der Lsungsalgorithmus nach Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno-Solver (BFGS) eingesetzt. 5. Implementierung siehe

47、DIN SPEC 32534-1:2011-03, 4.5 Vernetzung: Das geometrische Modell besteht aus 55 000 linearen Elementen vom Typ 3008“ (Hexaeder mit jeweils 8 Integrationspunkten). Die Kantenlnge der Elemente in der Schweinaht betrgt 1 mm. Bild 3 zeigt das verwendete Netz. Bild 3 Verwendetes Finite-Element-Netz Mode

48、llierung des Wrmeeintrages: Die Isotherme bei Schmelztemperatur wird dabei an Mikroschliffen und Beobachtungen whrend des Prozesses kalibriert (siehe 7.2). So soll sichergestellt werden, dass das Schmelzbad realittsnah abgebildet werden kann und zeitgleich der Streckenenergieeintrag korrekt modelliert wird. Vereinfachend wird die Annahme getroffen, dass sich der Energieeintrag in das Werkstck aus dem Produkt der mittleren Spannung, Stromstrke laut Anzeige auf der Stromquelle und eines Wirkungsgrades zusammensetzt. Fr beide Schweilagen wird ein Wirkungsgrad von 90 % ange