ThyssenKrupp�Steel�Europe
Ganzheitlicher�Simulationsansatz�zur�Versagensprognosevon�widerstandspunktgeschweißten�Stahlblechverbindungen�David�Pieronek�– Forschungsgesellschaft�Kraftfahrwesen�Aachen�mbH�(fka)Rolf�Peter�Röttger�– ThyssenKrupp�Steel�Europe�AG�(TKSE)Andre�Marx�– Dortmunder�Oberflächen�Centrum�GmbH�(DOC)Filderstadt,�12.�November�2009
Thema� Ganzheitlicher�Simulationsansatz�zur�Versagensprognose�von�Punktschweißverbindungen
Datum LS-Dyna�Update�Forum�2009,�Filderstadt, 12.�November�2009
Anlass D.�Pieronek�(fka),�R.P.�Röttger�(TKSE),�A.�Marx�(DOC)
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Inhalt
• Einleitung
• Virtuelle�Versagensprognose�von�Punktschweißverbindungen
• Fügeprozesssimulation
• Zusammenfassung
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EinleitungVereinfachung�der�automobilen�Prozesskette
Quelle:�BMW Quelle:�ADAC
Coil Umformen Fügen KTL Crash
Kontinuierliche�Veränderung�der�Bauteileigenschaften�entlang�der�Prozesskette�
Umformen Fügen Crash
� Ziel:�Durchgängige�Simulationsmethoden
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Verformung[mm]
Kraft[kN]
EinleitungHutprofil�unter�Drei-Punkt-Biegung:�Integration�der�Umformhistorie
� Gesteigerte�Simulationsqualität�durch�Berücksichtigung�der�Umformhistorie��
Experiment
Simulation�ohne�Umformhistorie
Simulation�mit�Umformhistorie
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EinleitungCrashverhalten�von punktgeschweißten�Stahlstrukturen
� Frühzeitige�Bewertung�von�Schweißpunktversagen�in�der�Gesamtfahrzeugsimulation
Axialcrash�mit�Doppelhutprofilen�- Auslegung�der�Schweißpunkte�-
Optimierter�Schweißpunktabstandkein�Schweißpunktversagen�
Referenz�mit�Schweißpunktversagen
FazitFazitFazitFazito Schweißpunktversagen�beeinflusst�Crashverhalteno Absicherung�der�Strukturintegrität�notwendigo Werkstoffspezifisches�Bruchverhalten
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EinleitungVirtuelles�Labor�zur�Charakterisierung�von�Punktschweißungen�
� Aufbau�eines�virtuellen�Labors�zur�effizienten�Parametrisierung von�Ersatzmodellen��
Virtuelles�Labor
Kerbe
t2
t1hWEZ
∅ D
Eindruck
Fügeprozesssimulation Schnittstelle
Detailanalysen�mit�integrierten�VersagensmodellenFE-Ersatzmodell
Shell(t2)
Hexaeder
Shell(t1)
Crashsimulation
1
1 2
3 Integration
Parametrisierung
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Inhalt
• Einleitung
• Virtuelle�Versagensprognose�von�Punktschweißverbindungen
• Fügeprozesssimulation
• Zusammenfassung
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Versagensprognose�von�PunktschweißverbindungenMakroskopisches�Versagensverhalten
Ausknöpfbruch Scherbruch
Geringe�plastische�BlechdeformationHohe�plastische�Blechdeformation
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Versagensprognose�von�PunktschweißverbindungenMikroskopisches�Versagensverhalten
� Versagen�ist�werkstoff- und�belastungsabhängig�in�allen�Gefügezonen�möglich
Schliffbild:�ungeprüfte�Probe
SL
GW
WEZ
Grundwerkstoff�(GW)Schweißlinse�(SL) Wärmeeinflusszone�(WEZ)
0
100
200
300
400
500
600
700
0 10 20 30 40 50 60 70Messpunkt
Härt
e [
HV
0,1
]
MHZ340+Z
DP-K34/60+Z
RA-K 40/70+Z
MS-W 1200
Potentielle�Versagensorte
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Versagensprognose�von�PunktschweißverbindungenFE-Modellierung
� Alle�Gefügezonen�erhalten�entsprechendes�Versagensmodell
GWGurson
SL WEZ�Gurson
Cohesive�Zone�Model
Geometrie�aus�Schliffbild
� Volumenmodell�(l�≈ 0,2�mm)� Konstante�Elementkantenlänge�in�versagenskritischen�Bereichen�� Verwendung�effektiver�Fließkurven�in�den�Gefügezonen�� Grundwerkstoff�(GW):�Gursonparameter�aus�Zugversuch� Wärmeeinflusszone�(WEZ):�Gursonparameter�aus�inverser�Simulation�� Schweißlinse�(SL):�Mises-Plastizitätsmodell�+�Cohesive�Zone�Model�(CZM)
150
300
450Härte�HV
SLWEZGW
Effektive�Fließkurven�aus�Härteverlauf
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Versagensprognose�von�PunktschweißverbindungenScherbruch:�Phänomenologisches�Cohesive�Zone�Model�(CZM)�
� Kalibrierung�der�Modellparameter�an�punktgeschweißten�Einelementproben�
Quelle: GKSS-Forschungszentrum Geesthacht
Schweißlinse
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Versagensprognose�von�PunktschweißverbindungenAusknöpfbruch:�Gurson�für�Grundwerkstoff�und�Wärmeeinflusszone�
� Unterschiedliche�Gursonparameter�für�Grundwerkstoff�und�Wärmeeinflusszone�
Zugversuch�am�Grundwerkstoff
Ausknöpfbruch�aus�GWKalibrierung�der�Gursonparameter
�
�Aus�der�schweißbedingten�Gefügeumwandlung�(WEZ)resultiert�im�Vergleich�zum�Grundwerkstoff�eine�veränderte�Duktilität�!
Ausknöpfbruch�aus�WEZ
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
lokalerWeg[mm]
Zugkraft[kN]
Zugversuch_1Zugversuch_2Zugversuch_3GURSON
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0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
Verformungsweg[mm]
Zugkraft[kN]
Versagensprognose�von�PunktschweißverbindungenValidierung�DP-K�34/60+Z:�statischer�Scherzugversuch
� Korrekte�Abbildung�der�Versagensart�und�Tragfähigkeit�
GW
GW
SL
SL
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Versagensprognose�von�PunktschweißverbindungenValidierung�DP-K�34/60+Z:�Verformungen�
Versagen:�Cohesive�Zone�Model
Versagen:�Gurson�(GW)
Experiment:�Scherbruch
Experiment:�Ausknöpfen
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Versagensprognose�von�PunktschweißverbindungenVerifikation:�KS2-Probe�unter�statischer�Belastung
Quelle:
[Hahn, O.; Gieske, D.; Rhode, A.: Probe und Probenspannvorrichtung zum Einsatz in Zugmaschinen; Patentschrift DE 195 22 247 A1,1996]
� Überprüfung�der�Belastbarkeit�des�entwickelten�und�kalibrierten�Simulationsmodells
KS2�PrKS2�PrKS2�PrKS2�Prüüüüfkonzeptfkonzeptfkonzeptfkonzept
o Charakterisierung�von�Verbindungeno Prüfung�unter�kombinierter�Belastung�o Ermittlung�von�Versagensdiagrammen
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0
2
4
6
8
10
12
14
16
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0
Verschiebung[mm]
Zugkraft[kN]
Versagensprognose�von�PunktschweißverbindungenVerifikation�DP-K�34/60+Z:�statische�KS2-Prüfung
� Gute�Prognose�der�Tragfähigkeit�und�Versagensart
VERSUCH
SIMULATION
0°SL
WEZ
SL
WEZ
90°
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Versagensprognose�von�PunktschweißverbindungenVerifikation�DP-K�34/60+Z:�statisches�Versagensdiagramm
� Berechnetes�Versagensdiagramm�in�guter�Übereinstimmung�zum�Experiment
Kopfzugkraft[kN]
Scherkraft[kN]
VERSUCH
SIMULATION
0°
90°
30°
60°
WEZ
WEZ
WEZ
WEZ
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0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0
Verschiebung[mm]
Zugkraft[kN]
VERSUCH
SIMULATION
Versagensprognose�von�PunktschweißverbindungenVerifikation�DP-K�34/60+Z�:�KS2-Prüfung�mit�abweichender�Blechdicke
� Abweichende�Blechdicke:�Wechsel�der�Versagensart�bei�0° wird�richtig�wiedergegeben
0°
GW
WEZ
GW
WEZ
90°
VERSUCH
SIMULATION
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Inhalt
• Einleitung
• Virtuelle�Versagensprognose�von�Punktschweißverbindungen
• Fügeprozesssimulation
• Zusammenfassung
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Fügeprozesssimulation2D-Prozesssimulation�des�Widerstandspunktschweißens�mit�SYSWELD
latente�Wärme
Phasenanteile
Phasenanteile
Elektrokinetik
Mechanik
Temperaturen
Thermodynamik
Metallurgie
Kontaktbedingungen�
Temperaturen
Temperaturen
Joulesche�
Wärme
Kontaktbedingungen
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FügeprozesssimulationVerifikation:�DP-K�34/60+Z
� Erfolgreiche�Verifikation�der�Gefügezonengeometrie�und�Verformungen
1,81,8Schweißlinsenhöhe�[mm]
0,20,2Elektrodeneindruck�[mm]
7,47,4Ø WEZ�[mm]
4,84,9Ø Schweißlinse�[mm]
SimulationVersuch
DP-K�34/60+Z
DP-K�34/60+Z
Schweißlinse Gefügezone�WEZ(Phasenanteile)
Elektrode
Elektrode
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SYSWELD 2D-3D�Schnittstelle LS-Dyna
� Ganzheitlicher�Simulationsansatz�zur�virtuellen�Versagensprognose
Aktuelle�Übertragungsgrößen:
o Verformungszustando Gefügezonengeometrie
Fügeprozesssimulation�Durchgängige�Prozesskette
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Inhalt
• Einleitung
• Virtuelle�Versagensprognose�von�Punktschweißverbindungen
• Fügeprozesssimulation
• Zusammenfassung
Thema� Ganzheitlicher�Simulationsansatz�zur�Versagensprognose�von�Punktschweißverbindungen
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Zusammenfassung
� Entwicklung�einer�Simulationsmethode�zur�Prognose�der�Versagensart�und�Maximalkraft�von�Punktschweißverbindungen�unter�statischer�Belastung
� Die�Verifikation�am�Werkstoff�DP-K�34/60+Z�zeigt�eine�hohe�Prognosegütehinsichtlich�des�Verformungs- und�Versagensverhaltens�
� Eine�verlässliche�Versagensprognose�durch�das�virtuelle�Labor�erfordert�die�Verwendung�spezifischer�Versagensmodelle�für�alle�drei�Gefügezonen
� Erweiterung�der�Simulationsmethode�für�dynamische�Beanspruchungen
� Generelles�Potenzial�zur�Reduzierung�von�Experimenten�vorhanden�
� Aufbau�der�virtuellen�Prozesskette�Fügen�(SYSWELD)�– Crash�(LS-Dyna)von�widerstandspunktgeschweißten�Stahlblechverbindungen��
Thema� Ganzheitlicher�Simulationsansatz�zur�Versagensprognose�von�Punktschweißverbindungen
Datum LS-Dyna�Update�Forum�2009,�Filderstadt, 12.�November�2009
Anlass D.�Pieronek�(fka),�R.P.�Röttger�(TKSE),�A.�Marx�(DOC)
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Danke�für�Ihre�Aufmerksamkeit.