title: Hybride Modelle für Verzugs- und Eigenspannungsberechnung von großen und komplexen Schweißkonstruktionen
title: Hybrid models for calculation of distortion and residual stresses in large and complex welded structures
Creators: name: Doynov, Nikolay
Publisher: name: BTU  Cottbus - Senftenberg
Year: 2023
Subjects: subject: 670 Industrielle Fertigung

description: Das Schweißen führt zu einer lokalen, ungleichmäßigen Erwärmung der Fügestelle. Die dadurch hervorgerufenen lokalen plastischen Verformungen und metallurgischen Werkstoffveränderungen bewirken nach der Abkühlung bleibenden Verzug und Eigenspannungen. Diese beeinflussen die reibungslose Durchführung des Fertigungsprozesses und die Qualität der geschweißten Konstruktion und schließlich stellen letztlich deren Einsatz in Frage. Somit steht für die meisten Industrieanwendungen die gesicherte Minimierung bzw. Beherrschung des Schweißverzuges und der Schweißeigenspannungen, insbesondere bei großen Konstruktionen im Vordergrund. Mittels der Vorkenntnis über den zu erwartenden Verzug und die Entwicklung der Eigenspannungen während und nach dem Schweißen können zum einen geeignete Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise Einspannszenarien, Vorverformungen oder Schweißreihenfolgen sowie eine gezielte Vor-, Zwischen- oder Nachwärmebehandlung zweckmäßig gewählt werden. Zum anderen ist es möglich, die darauffolgenden notwendigen Nachbehandlungen, wie z.B. das thermische Richten, schon in einem sehr frühen Stadium des Produktentwicklungsprozesses vorauszuplanen. Demzufolge besteht seitens der Forschung ein sehr großes Interesse an der Entwicklung verlässlicher Modelle und Methoden zur Schweißverzugs- und Eigenspannungsberechnung. Die vorliegende Habilitationsschrift befasst sich mit den theoretischen Grundlagen und den simulationstechnischen Aspekten der Schweißverzug- und Eigenspannungsberechnung von großen komplexen Schweißkonstruktionen. Im Mittelpunkt stehen die analytisch-numerische Hybridmodelle. Diese bestehen aus einem analytischen Teil für die lokale thermomechanische Berechnung und einen numerischen Teil für die globale strukturmechanische Berechnung. Die beiden Teilaufgaben sind stark gekoppelt. Der Schwerpunkt liegt in der Weiteentwicklung und in den Umsatzmöglichkeiten des analytischen Ansatzes. Darüber hinaus wird die Anwendung der Hybriden Modellierung zur Berechnung von Verzug und Eigenspannungen in praxisrelevanten Schweißkonstruktionen an zahlreichen Beispielen demonstriert. Die Aspekte der Einbringung der Simulation in die Fertigungs- oder Produktkette werden ebenso thematisiert.
description: Welding causes local, non-uniform heating of the joint. The resulting local plastic deformations and metallurgical material changes cause after cooling residual distortions and stresses. These affect the smooth performance of the manufacturing process and the quality of the welded structure, finally putting its use into question. Thus, for most industrial applications, the minimization or control of welding distortion and residual stresses, especially for large constructions, is of primary importance. By knowing in advance the distortion to be expected and the development of residual stresses during and after welding, it is possible, on the one hand, to select suitable measures to control the distortion, such as clamping scenarios, preforming or welding sequences, as well as targeted pre-, intermediate- or post-weld heat treatment. On the other hand, it is possible to plan in advance the subsequent necessary post-treatments, such as thermal straightening, at a very early stage of the product development process. Consequently, there is a very great interest on the part of the research community in the development of reliable models and methods for weld distortion and residual stress calculation. This postdoctoral thesis deals with the theoretical fundamentals and simulation aspects of weld distortion and residual stress calculation of large complex welded structures. The focus is on analytical-numerical hybrid models. These consist of an analytical part for the local thermomechanical calculation and a numerical part for the global structural mechanical calculation. The two subtasks are strongly coupled. The main issue is the ongoing development and the turnover possibilities of the analytical approach. In addition, the application of hybrid modeling for the calculation of distortion and residual stresses in practically relevant welded structures is demonstrated with numerous examples. The aspects of incorporating simulation into the manufacturing or product chain will also be addressed.