Finite Element Simulation of Residual Stresses from Welding and High Frequency Hammer Peening
Creators: name: Gkatzogiannis, Stefanos
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2020
Subjects: High Frequency Hammer Peening
Residual Stresses
Welding
Finite Element
Post-Weld Treatment

description: Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der numerischen Simulation der Eigenspannungen von Schweißverbindungen nach ihrer Behandlung mit dem höherfrequenten Hämmerverfahren (HFH). Hauptziel ist die Entwicklung eines effizienten Inngenieurkonzeptes, das praxisorientierte Modelle einschließt, ohne die Genauigkeit der Ergebnisse zu beeinträchtigen. Es soll die Bestim-mung des Einflusses der Eigenspannungen auf die Ermüdungsfestigkeit der simulierten Bauteile ermöglichen. Der entwickelte Ansatz sollte sowohl für Forschungszwecke als auch für praktische Zwecke anwendbar sein. In Rahmen der vorliegenden Studie wird die Finite-Elemente-Methode für die Erfüllung des aktuellen Forschungszieles angewendet. Die Schweißverbindungen im wie-geschweißten Zustand haben schon vor der Nachbehandlung signifikante Schweißeigenspannungen. Obwohl die For-schung zum Thema Schweißsimulation schon seit Jahrzehnten betrieben wird, bleibt die Methodik für ihre praktische Anwendung unklar. Basierend auf dem vorhandenen Wissen wird in der vorliegenden Studie ein technischer Ansatz für die genaue Simulation des Lichtbogenschweißens entwickelt, der alle wich-tigen Aspekte für die genaue Schätzung der Schweißeigenspannungen berück-sichtigt und erwiesenermaßen für mehrere Materialien anwendbar ist. Mithilfe dieses Modells wurde der Einfluss einiger praktischer oder spezieller Aspekte der Schweißsimulation, wie z.B. die verwendeten Werte des Wärmeausdeh-nungskoeffizienten, die Schweißreihenfolge, die Modellierung der Randbedin-gungen, die Phasenumwandlungen, die Abmessungen der Wärmequelle usw. auf die gerechneten Eigenspannungen untersucht. Die Validierung der Simula-tionen basiert auf einem direkten Vergleich der simulierten Temperaturprofile und Eigenspannungen mit entsprechenden experimentellen Messungen, die entweder in der Literatur oder in einem abgeschlossenen Forschungsprojekt gefunden wurden. Es werden Schlussfolgerungen präsentiert, die als Modellie-rungsleitfaden für die Ingenieurpraxis dienen können. Die kommerzielle FE-Software ANSYS wurde für alle Schweißsimulationen angewendet. Ein ähnlicher Ansatz wird im zweiten Teil der vorliegenden Doktorarbeit ver-folgt, in der die FE-Modellierung des höherfrequenten Hämmerns HFH unter-sucht wird. Auch hier werden praktische und spezielle Aspekte der HFH-Simulation betrachtet. Unter anderen werden berücksichtigt: die Modellierung der Randbedingungen, die Überlappung von HFH-Schlägen, die Skalierung von Bauteilen in der Simulation, die angewendeten Werte für den Reibungskoeffi-zienten, die Werkstoffgesetze und der Einfluss der Schweißeigenspannungen. Die Kalibrierung der verwendeten Werkstoffgesetze erfolgt mithilfe von der Werkstoffcharakterisierung aus einem abgeschlossenen Projekt und von Daten aus der Literatur. Darüber hinaus wurde eine Reihe von Fallversuchen für die Bestimmung der dynamischen Streckgrenze von den untersuchten Werkstof-fen durchgeführt. Die aktuelle Serie von numerischen Untersuchungen des HFH bestätigt entweder oder widerlegt Anfangsannahmen und Schlussfolge-rungen aus früheren experimentellen und numerischen Untersuchungen. Zusätzlich werden neue Schlussfolgerungen bezüglich der notwendigen Aspek-te vorgeschlagen, die zu berücksichtigen sind, um die gewünschte Genauigkeit zu erreichen. Die kommerzielle FE-Software LS Dyna wird für alle HFH-Simulationen angewendet. Abschließend werden Empfehlungen für zukünftige Untersuchungen zu den oben genannten Hauptthemen der vorliegenden Doktorarbeit sowie zum Gebiet Ermüdung und FE-Simulationen im Allgemeinen gegeben.