Simulation von Schweißverzügen im Schienenfahrzeugbau durch Anwendung der Inherent Strain Methode und Interface-Elementen

Abstract

Das Schweißen zählt heutzutage im Schienenfahrzeugbau zu den gängigsten Fertigungsverfahren und ist aufgrund von zahlreichen Vorteilen, wie z.B. einer Gewichtsreduktion bei gleichzeitiger Steigerung der Performance, nicht mehr wegzudenken. Eine verstärkte Forderung nach Leichtbaukonstruktionen und steigende Qualitätsanforderungen bedingen ein erhöhtes Ausmaß bei der Kontrolle von Schweißverzügen. Schweißverzüge entstehen aufgrund der Wärmeeinwirkung während des Schweißens und verursachen nachträglich Qualitätseinbußen im Produkt und erhöhte Kosten durch deren Beseitigung. Das Ziel dieser Diplomarbeit ist eine Anwendung der Inherent Strain Methode zur Simulation von Schweißverzügen im Schienenfahrzeugbau. Mithilfe von Interface-Elementen werden geometrische Fehler in Form von unzulässig großen Schweißspalten erfasst und in weiterer Folge korrigiert. Eine Anwendung der Inherent Strain Methode und eine Untersuchung von Interface-Elementen erfolgt in dieser Diplomarbeit anhand von zwei Beispielen. Das erste Simulationsbeispiel ist ein aus drei Blechen zusammengeschweißter I-Träger. Das Ziel in diesem Beispiel ist eine Untersuchung von Einflüssen unterschiedlicher Schweißreihenfolgen auf die Ausbildung von Schweißverzügen. Eine Variation von Interface-Parametern und ihre Auswirkungen auf eine Schweißspaltkorrektur werden ebenfalls untersucht. Das zweite Simulationsbeispiel behandelt eine horizontale Platte mit longitudinalen und transversalen Versteifungen. Das Beispiel umfasst eine Untersuchung von anfänglichen Schweißspalten auf die Ausbildung von Schweißverzügen. Darüber hinaus erfolgt ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit experimentell ermittelten Daten aus der Literatur. Die Ergebnisse in dieser Arbeit bestätigen in ABAQUS eine Verwendung von SPRING2-Elementen und BUSHING-Konnektoren als Interface-Elemente. Für beide Elementtypen werden Interface-Parameter empfohlen, die zu einer vollständigen Schweißspaltkorrektur führen. Die durch eine Anwendung der Inherent Strain Methode vorhergesagten Schweißverzüge entsprechen größtenteils jenen Daten, welche aus Experimenten entnommenen wurden. Eine Kombination mit Interface-Elementen führt ebenfalls zu einer Übereinstimmung mit experimentell ermittelten Werten, jedoch ist fallweise mit einer Über- bzw. Unterschätzung von Schweißverzügen zu rechnen.

Welding is one of the most common manufacturing processes in railway vehicle manufacturing today and it has become indispensible due to numerous advantages, such as weight reduction with simultaneous increase in performance. An increased demand for lightweight design and increasing quality requirements therefore require a higher level of welding distortion control. Welding distortions arise due to the effects of heat during welding and subsequently cause quality losses in the product and increased costs for their elmination. The aim of this master's thesis is an application of the inherent strain method for simulating welding distortions in rail vehicle manufacturing. With the help of interface elements, geometric errors in the form of impermissibly large welding gaps are captured and subsequently corrected. An application of the inherent strain method and an investigation of interface elements is carried out in this master's thesis using two examples. The first example to be simulated is an I-beam that is welded together from three sheet metals. The aim of this example is to investigate the influence of different welding sequences on the formation of welding distortions. A variation of interface parameters and their impact on a weld gap correction are also examined. The second example to be simulated consists of a horizontal plate with longitudinal and transverse stiffeners. The example includes an examination of initial weld gaps on the formation of weld distortions. In addition, the results of the simulation are compared with experimentally determined data from literature. The results of this work validate using SPRING2 elements and BUSHING connectors as interface elements in ABAQUS. Interface parameters that eliminate weld gaps completely are recommended for both element types. The weld distortions predicted by an application of the inherent strain method largely correspond to data obtained from experiments. A combination with interface elements also matches with experimentally determined values, but over- or underestimation of welding distortions have to be expected in some cases.