Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3683
Main Title: Welding Simulation of Complex Automotive Welded Assembly
Subtitle: Possibilities and Limits of the Application of Analytical Temperature Field Solutions
Translated Title: Schweißsimulation von komplexen automobilen Schweißgruppen
Translated Subtitle: Möglichkeiten und Grenzen der Anwendung analytischer Temperaturfeldlösungen
Author(s): Perret, William
Advisor(s): Rethmeier, Michael
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Vor der Entwicklung der Computertechnik wurden Wärmeleitfähigkeitsprobleme hauptsächlich durch analytische Techniken gelöst. Analytische Berechnungen sind exakte Lösungen von Differentialgleichungen, bei denen physikalische Phänomene, wie z.B. die Temperatur, lokal für einen einzigen Punkt, unabhängig von der übrigen untersuchten Struktur, ermittelt werden. Die resultierenden Rechenzeiten sind dabei extrem kurz. Diese analytischen Lösungen sind allerdings lediglich auf einige einfache Geometrien und Randbedingungen anwendbar, weswegen sie für komplexe industrielle Bauteile nicht in Frage kommen. Numerische Techniken, wie beispielsweise die Finite Element Methode, ermöglichen es, diese Probleme zu überwinden. Allerdings erfordert die numerische Simulation der Wärmewirkung beim Schweißen von komplexen und großen Bauteilen hohen rechnerischen Aufwand und lange Rechenzeiten. Aus diesem Grund ist die Schweißsimulation bis heute in der Industrie nicht etabliert. Ziel dieser Studie war die Kombination der Vorteile analytischer und numerischer Simulationsmethoden, um die Kalibrierung von thermischen Modellen der Struktursimulation durch eine automatische Kalibrierung des Simulationsmodells mit einer schnellen Temperaturfeldlösung und anschließender numerischer Simulation des Schweißproblems mit Hilfe von analytisch kalibrierten Eingangsparametern zu beschleunigen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde die analytische Lösung des Wärmeleitfähigkeitsproblems einer, sich durch einen unendlichen Raum bewegenden Punktquelle erweitert und gegen ein Referenzmodell validiert, bis eine Lösung für eine, sich in willkürlich gekrümmten Schweißpfaden durch eine dünne Platte bewegende volumetrische Wärmequelle, gefunden wurde. Das Potential einer solchen analytischen Lösung, insbesondere in Hinblick auf die Rechenzeiten, wurde zunächst anhand eines halb-industriellen Bauteils großer Dimension und verschieden gekrümmten Schweißstellen demonstriert. Diese kombinierte Methode wurde dann im Anschluss auf ein industrielles Bauteil mit vier parallelen Schweißnähten übertragen. Für diese gefügte Geometrie war es möglich, die erweiterte analytische Lösung anzuwenden. Die Kalibrierung des Simulationsmodels erfolgte automatisch gegen experimentelle Daten durch Kombination der erweiterten schnellen analytischen Lösung mit einem globalen Optimierungsalgorithmus. Die mehr als 3000 direkten Simulationen benötigten weniger Rechenzeit, als eine entsprechende numerische Simulation. Die Ergebnisse, der mit Hilfe der analytisch kalibrierten Eingangsparameter ausgeführten numerischen Simulation lagen innerhalb 10% des Streubandes im Vergleich zu experimentell gewonnenen Daten. Die Grenzen der kombinierten Simulationsmethode wurden an einem industriellen Bauteil mit acht überlappenden Schweißnähten aufgezeigt. Für diese Anordnung musste eine konventionelle numerische Vorgehensweise angewendet werden, da keine analytische Lösung erhalten werden konnte. Die anschließenden endgültigen Simulationsergebnisse stimmten mit den experimentellen Daten innerhalb eines Streubandes von 10% überein. Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen eine umfassende, wenn auch teilweise limitierte Methode zur Beschleunigung der Kalibration eines thermischen Models einer Strukturschweißsimulation von komplexen und großen Bauteilen dar und bilden eine wesentliche Grundlage für die Implementierung dieser Methode in eine Schweißsimulationssoftware für den typischen industriellen Anwender.
Before the development of computational science, heat conduction problems were mainly solved by analytical techniques. Analytical solutions are exact solutions of differential equations; the investigated physical phenomena, for instance the temperature, are solved locally for one single point independently of the rest of the investigated structure resulting in extremely short computational times. These analytical solutions are however only valid for some simple geometries and boundary conditions making their applications for complex industrial geometries directly not possible. Numerical techniques, such as the Finite Element Method, enable overcoming this problem. However, the numerical simulation of the structural heat effect of welding for complex and large assemblies requires high computational effort and time. Therefore, the wide application of welding simulation in industry is not established, yet. The aim of this study is to combine the advantages of analytical and numerical simulation methods to accelerate the calibration of the thermal model of structure welding simulation. This is done firstly by calibrating automatically the simulation model with a fast analytical temperature field solution and secondly by solving the welding simulation problem numerically with the analytically calibrated input parameters. In order to achieve this goal, the analytical solution of the heat conduction problem for a point source moving in an infinite solid was extended and validated against reference models until a solution for a volumetric heat source moving on a thin small sheet with several arbitrary curved welding paths was found. The potential of this analytical solution by means of computational time was subsequently demonstrated on a semi-industrial geometry with large dimensions and several curved welds. The combined method was then transferred to an industrial assembly welded with four parallel welds. For this joint geometry, it was possible to apply the extended analytical solution. The calibration of the simulation model was done automatically against experimental data by combining the extended fast analytical solution with a global optimisation algorithm. For this calibration, more than 3000 direct simulations were required which run in less computational time than one corresponding single numerical simulation. The results of the numerical simulation executed with the analytically calibrated input parameters matched the experimental data within a scatter band of 10 %. The limit of the combined method is shown for an industrial assembly welded with eight overlap welds. For this joint geometry, a conventional numerical approach was applied, since no analytical solution was actually available. The final simulation results matched the experimental data within a scatter band of 10 %. The results of this work provide a comprehensive method to accelerate the calibration of the thermal model of the structure welding simulation of complex and large welded assemblies, even though within limitations. In the future, the implementation of this method in a welding simulation tool accessible to a typical industrial user still has to be done.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-40298
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3980
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3683
Exam Date: 31-May-2013
Issue Date: 23-Jul-2013
Date Available: 23-Jul-2013
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Analytische Lösung
Schweißen
Simulation
Analytical solution
Simulation
Welding
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