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ANSYS BLOG

June 23, 2021

Meshing und Simulation von Schweißnähten mit Ansys Mechanical

In unserem letzten Blog, The Fundamentals of FEA Meshing for Structural Analysis, haben wir uns damit beschäftigt, was eine FEA-Vernetzung ist, welche Arten von Vernetzungsmethoden es gibt und warum ein qualitativ hochwertiges Mesh wichtig für die Genauigkeit Ihrer Simulationen ist.

Nehmen wir noch einmal das Beispiel des Motorradrahmens aus diesem Blog. Die Verwendung verschiedener Meshing-Strategien an den Stellen Ihrer Geometrie, an denen sich Schweißnähte oder Schraubverbindungen befinden, ermöglicht es Ihnen, ein feineres Netz an bestimmten Stellen zu erstellen, anstatt das gesamte Modell zu vernetzen, was die Berechnungszeit verlängern würde. In diesem Blog geht es um die Vernetzung von Schweißnähten und warum es wichtig ist, ein qualitativ hochwertiges Netz für eine Schweißnahtanalyse zu haben.

Die Geometrie des Motorradrahmens zeigt verschiedene Arten von Schweißverbindungen

Motorcycle frame geometry shows different types of welded connections.

 

Elementtypen für geschweißte Konstruktionen

Schweißnähte sind ein praktisches Herstellungsverfahren, bei dem mehrere Teile durch Schmelzen des Materials in einem bestimmten Bereich und Verschmelzen der zu verbindenden Grundmetalle durch Hitze miteinander verbunden werden. Schweißnähte sind sowohl bei dicken Gussteilen wie Motorblöcken als auch bei dünnwandigen Teilen wie Fahrzeugrahmen üblich.

Simulation ist eine weit verbreitete und gut etablierte Methode zur Analyse der Festigkeit und Haltbarkeit dieser geschweißten Strukturen. Die sorgfältige Berücksichtigung der Vernetzung von Schweißnähten ermöglicht eine genaue Berechnung der Nutzungsdauer von Schweißnähten und die Darstellung der Steifigkeit der Struktur für Crash- oder Lärm-, Vibrations- und Harshness-Analysen (NVH).

Für die Analyse von geschweißten Strukturen wird in der Regel eine Mischung aus Massiv-, Schalen- und Balkenelementen verwendet.

Während Volumenelemente zur Modellierung sperriger, durch Guss- und Schmiedeverfahren hergestellter Teile verwendet werden können, eignen sich Schalen- und Balkenelemente zur Darstellung dünnwandiger Geometrien, die durch Blechumformung, Walz- und Ziehverfahren hergestellt werden. Durch die Verknüpfung von Krümmungsänderungen in Balken- und Schalen-Elementen mit Dehnungen können dünne Abschnitte bequem durch kleinere, aber hochgenaue Modelle dargestellt werden.

Schweißnähte als Schalen-Elemente und Balkenelemente simuliert

Welds simulated as shell elements (right) and welds simulated as beam elements (left).

 

Meshing und Simulation von Schweißnähten

Verwendung strukturierter und unstrukturierter Meshs zur Simulation von Schweißnähten

Die Meshing-Technologie für komplexe, dünnwandige Geometrien hat sich erheblich weiterentwickelt und macht strukturierte Netze möglich –  auch für komplexe Geometrien. Bei mehreren Anwendungen haben das Verformungsmuster und die Änderung der Dehnungswerte eine Vorzugsrichtung, so dass strukturierte Netze vorzuziehen sind. 

Strukturierte Netze sind praktisch, weil man im Vergleich zu unstrukturierten Netzen eine genaue, von der Netzgröße unabhängige Lösung mit relativ größeren Elementen erhält. Dies ist besonders nützlich, wenn Sie die Lebensdauer einzelner Schweißnähte bewerten wollen. 

Strukturiertes vs. unstrukturiertes Mesh auf geschweißter Geometrie dargestellt

Structured (left) vs. unstructured (right) mesh shown on welded geometry.

 

Warum Simulation von Schweißnähten eine Herausforderung ist

Eine besondere Herausforderung bei der Analyse von geschweißten Strukturen besteht in der Erstellung und Vernetzung von Schweißnähten für die Analyse. Ein typischer Fahrzeugrahmen kann beispielsweise einige tausend einzelne Schweißpunkte enthalten, während die Fahrgestellstruktur eines Geländewagens mehrere Dutzend Schweißnähte aufweisen kann.  

Ansys Mechanical ermöglicht es Anwender*innen, Punkt- und Nahtschweißungen auf effiziente, automatisierte Weise zu erstellen und zu modellieren. Anwender*innen können Schweißpunktverbindungen schnell erstellen, indem sie die Positionen der Schweißnähte aus computergestützten Konstruktionssystemen (CAD) einbringen. Dies beinhaltet, die Steifigkeit einzelner Schweißnähte für eine genaue Darstellung zu kontrollieren. Praktische Vernetzungswerkzeuge ermöglichen die Erstellung von Schweißnähten mit geeigneten Vernetzungsmustern an den Schweißnahtwurzeln und in den Bereichen der Wärmeeinflusszone, die für die Vorhersage der Ermüdungslebensdauer entscheidend sind.

Die Bedeutung von Mesh-Qualität und Lebensdauer von Schweißnähten

Geschweißte Strukturen sind einer Vielzahl von Belastungsbedingungen ausgesetzt. Darunter fallen harmonisch oder zufällig variierende Lasten, druckbeaufschlagte und druckentlastete Tanks, Fahrgestelle von Autos, die Beschleunigung, Bremsvorgängen und Straßenunebenheiten ausgesetzt sind.

Bei der Bewertung der Lebensdauer von Schweißnähten unter solchen Ermüdungsbelastungen muss der Schweißprozess berücksichtigt werden, der die Eigenschaften des Grundmaterials verändert. Eine schnelle Abkühlung des Schweißbades kann die Härte erhöhen, allerdings bei geringerer Duktilität. Verunreinigungen während des Schweißvorgangs können sich ebenfalls nachteilig auf die Festigkeit einzelner Schweißnähte auswirken. Für eine genaue Lebensdauervorhersage müssen Sie auch die oben genannten Faktoren und etwaige Restspannungen im Grundwerkstoff nach dem Schweißprozess berücksichtigen. 

Behalten Sie Wärmeeinflusszonen in Schweißverbindungen für Ermüdungsberechnungen bei.

Maintain heat affected zones in weld connections for fatigue calculations.

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Diese Faktoren können bei der Berechnung der Lebensdauer von Schweißnähten unter Verwendung der Ermüdungswerkzeuge berücksichtigt werden. Weil die Lebensdauervorhersage von den Spannungsgradienten in der wärmebeeinflussten Zone der Schweißnaht abhängt, ist es wichtig, dass das Netz in diesem Bereich eine angemessene Größe hat.

Ein strukturiertes Vierecksnetz ist ideal für diese Arten von Aufgabenstellungen. Sie eignet sich zur Erfassung der Spannungsspitzen an der Schweißnahtspitze und des steilen Spannungsgradienten um die Region herum. Während eine regelmäßig geformte, abgestufte Mesh-Größe ideal für die Bewertung der Haltbarkeit von Schweißnähten ist, sind die Anforderungen anders für die Analyse der Crashsicherheit. Hier wird für die Effizienz der Berechnungen eine einheitliche Netzgröße bevorzugt.

Eine schlecht abgestufte Mesh-Größe könnte die Berechnungszeit des Solvers beeinträchtigen. Sowohl für die Crash- als auch für die NVH-Analyse ist die genaue Darstellung der Schweißnahtsteifigkeit am wichtigsten. Dies ist wesentlich für die genaue Berechnung der Energieabsorption durch die Struktur unter dynamischen Crash-Belastungen oder Eigenfrequenzmodi in der Modal- und Oberschwingungsanalyse. 

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Nahtschweißungen, die mit Hex-Elementen simuliert werden, um die Schweißnahtwurzel- und -fußpunkte zu erhalten.

Seam welds simulated with hex elements to maintain weld root and toe locations.

 

Ansys Mechanical bietet einen deutlichen Vorteil bei der parametrischen Konstruktion von geschweißten Strukturen. Die Fähigkeit, Schweißnähte bei Konstruktionsänderungen automatisch neu zu generieren, verbessert die Produktivität erheblich. Die Möglichkeit, Netze mit minimalen Einstellungen für Crash-, Betriebsfestigkeits- und NVH-Workflows zu generieren, sorgt zusammen mit der nahtlosen Anbindung an Ansy nCode DesignLife zur Berechnung der Ermüdungslebensdauer für eine leistungsstarke Benutzererfahrung.

Erfahren Sie mehr in unserem aufgezeichneten Webinar FEA Preprocessing Productivity Improvements by Ansys Mechanical.

Sie können auch den Ansys Explicit Dynamics-Kurs auf dem Ansys Learning Hub besuchen.

 



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