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ThyssenKrupp Steel Europe Ganzheitlicher Simulationsansatz zur Versagensprognose von 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

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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

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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)

1 ThyssenKrupp�Steel�Europe© TKSE�2009�· All�rights�reserved

Inhalt

• Einleitung

• Virtuelle�Versagensprognose�von�Punktschweißverbindungen

• Fügeprozesssimulation

• Zusammenfassung

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Thema� Ganzheitlicher�Simulationsansatz�zur�Versagensprognose�von�Punktschweißverbindungen

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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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Thema� Ganzheitlicher�Simulationsansatz�zur�Versagensprognose�von�Punktschweißverbindungen

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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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Thema� Ganzheitlicher�Simulationsansatz�zur�Versagensprognose�von�Punktschweißverbindungen

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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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Thema� Ganzheitlicher�Simulationsansatz�zur�Versagensprognose�von�Punktschweißverbindungen

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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

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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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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

90°

30°

60°

WEZ

WEZ

WEZ

WEZ

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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

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

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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��

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Danke�für�Ihre�Aufmerksamkeit.