Numerische Simulation

Es gibt viele numerische Methoden zur Simulation von Konstruktionsproblemen, unter denen die Finite-Differenzen-Methode (FDM) und die Finite-Elemente-Methode (FEM) am häufigsten verwendet werden. Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, liefert das Finite-Differenzen-Modell eine punktweise Annäherung an ein Problem mit einer Anordnung von Gitterpunkten, die die Geometrie entlang jeder Koordinatenachse unterteilen, während das Finite-Element-Modell eine stückweise Annäherung an ein Problem mit einer Assemblage von Elementen ergibt, die die Geometrie entlang der Grenzen aufteilen. FDM löst die maßgebenden Gleichungen durch direkte Differenzierung entlang jeder Koordinatenachse, so dass die Berechnung sehr schnell ist. FEM löst die maßgebenden Gleichungen durch Diskretisierung der Domäne mit Elementen einer ausgewählten Form und fügt sie in das Gesamtsystem zusammen, so dass die Brechnung normalerweise langsamer ist. Das FDM wird häufig zur Lösung von Strömungsmechanik und Wärmeübertragungsproblemen oft mit stationären Grenzen verwendet. Es ist jedoch unmöglich FEM zum Lösen von Problemen mit großer Dehnung / Verformung zu verwenden. FEM ist geeigneter, um Probleme mit großen Verformungen zu lösen und kann für fast alle Arten von Konstruktionsproblemen mit komplexen Geometrien und Materialkombinationen eingesetzt werden.

concept of fdm and fem

SORPAS® basiert auf der Finite-Elemente-Methode. Alle numerischen Modelle und Verfahren wurden mit Schweißtechnik-Expertise entwickelt und integriert und somit ist die Software vollständig automatisiert. Auch die grafische Benutzeroberfläche in SORPAS® istfür das Widerstandsschweißen maßgeschneidert. Benutzer müssen keine Vorkenntnisse im Berreich FEM haben. Ein gewisses Grundwissen kann jedoch helfen, Simulationen besser zu verstehen und zuverlässigere Simulationsergebnisse zu erhalten. Weitere Details werden während der Schulung vorgestellt (normalerweise 1-2 Tage). Wir erläutern im Folgenden nur die zwei grundlegenden Konzepte, die wesentlichen Einfluss auf FEM-Simulationen haben.

Maschendichte

Die Maschendichte oder Größe von Elementen hat wesentlichen Einfluss auf die Genauigkeit von FEM-Berechnungen bezüglich der Verteilung von Variablen in der Geometrie. Als grundlegende Prozedur des FEM wird die Problemdomäne (Geometrie und Materialien) in eine Anzahl von Elementen (Mesh) unterteilt. Dieser Vorgang wird als Netzgenerierung bezeichnet. Die FEM-Berechnungen basieren hauptsächlich auf den Variablen und ihren Werten in den Knotenpunkten. Je mehr Knotenpunkte oder je mehr Elemente vorhanden sind, desto genauere Ergebnisse können für die Verteilung der Variablen erreicht werden. Die Erhöhung der Gesamtzahl der Elemente erhöht die der Knotenpunkte, erhöht aber auch die Anzahl der Berechnungen und verlängert die Rechenzeit. Es ist effizienter, die Anzahl der Elemente nur in Bereichen mit großen Änderungen (oder Gradienten) von Variablen zu erhöhen, wodurch weniger Elemente in den Bereichen mit kleinen Änderungen verbleiben. Die Gesamtzahl der Elemente kann somit immer noch in einem vernünftigen Bereeich gehalten werden. Dies ist der Grund, weshalb die Steuerung der Netzdichte eingeführt wurde, damit Nutzer bestimmen können, wo mehr Elemente (oder eine höhere Netzdichte) benötigt werden. In SORPAS® erfolgt die Netzgenerierung vollautomatisch nach der benutzerdefinierten Anzahl von Elementen und Dichtekontrollpunkten. Die folgende Abbildung zeigt den Einfluss der Maschendichte in einer Punktschweißsimulation. Es ist anzumerken, dass die Berechnungszeit mit zunehmender Anzahl von Elementen drastisch zunimmt, sich aber das erhaltene Nuggetvolumen sehr wenig ab mehr als 1000 Elementen ändert. Wir empfehlen daher für eine gewöhnliche Punktschweißsimulation 1000 Elemente zu verwenden, was im normalfall ausreichend ist.

relation of mesh density and nugget volume

Zeitschritt

Um die dynamische Entwicklung von Variablen zu berechnen, wird die Prozesszeit bei Simulationen in kleine Zeitschritte unterteilt. Die FEM-Berechnungen werden in jedem Zeitschritt durch den gesamten Schweißprozess inkrementell durchgeführt. Der Zeitschritt hat einen signifikanten Einfluss auf die Genauigkeit von FEM-Simulationen, insbesondere für dynamische Variablen, die sich schnell in Abhängigkeit von Zeit ändern. Je kleiner der Zeitschritt ist, desto genauer können die Ergebnisse hinsichtlich der sich dynamisch ändernden Variablen berechnet werden. Hierdurch steigt allerdings die Anzahl der Berechnungen und damit nimmt die Rechenzeit zu. Die folgende Abbildung zeigt den Einfluss des Zeitschritts in einer Punktschweißsimulation. Es fällt auf, dass die Rechenzeit mit zunehmender Schrittweite drastisch abnimmt. Es gibt keinen großen Einfluss auf das Nugget-Volumen, wenn die Zeitschrittgröße unter 0,5 ms liegt. Um die Zuverlässigkeit der Ergebnisse sicherzustellen, empfehlen wir daher einen Zeitschritt von 0,05-0,1 ms, da dieser für die meisten Widerstandsschweißanwendungen ausreichend sein solte.

relation of step size and nugget volume

Verfahren zur Durchführung von Simulationen

Eine Simulation mit SORPAS® ist ein virtueller Widerstandsschweißprozess, bei dem der gesamte Prozess vom Entwurf bis zum Schweißen am Computer ohne Verwendung von tatsächlichen Materialien und Schweißgeräten erfolgt. Die Nutzer sehen die Ergebnisse des Schweißens grafisch an dem Computer angezeigt. Auf diese Weise können die Ingenieure ihr Design von Elektroden und die Schweißbarkeit neuer Materialien bewerten und die Einstellungen der Prozessparameter vor tatsächlichen Schweißversuchen optimieren. Das Verfahren zur Durchführung von Simulationen mit SORPAS® umfasst drei Schritte: 1) Datenaufbereitung, 2) Prozesssimulation und 3) Auswertung der Ergebnisse.

Die für die Simulation mit SORPAS® benötigten Eingabedaten sind im Folgenden zusammengefasst:

  • Geometrie und Materialien
    • Definieren Sie Geometrien und wählen Sie Materialien für Elektroden aus
    • Definieren Sie Geometrien und wählen Sie Materialien für Werkstücke aus
    • Definieren Sie die Dicke und wählen Sie Materialien für Beschichtungen aus
  • Maschineneinstellungen
    • Definieren Sie den Anschluss der Elektroden an die Schweißmaschine
    • Stellen sie die Schweißkraft ein
    • Schweißstrom und Zeit einstellen
  • Simulationssteuerelemente
    • Definieren Sie Zeitschrittgrößen und wählen Sie numerische Modelle
    • Definieren Sie automatisierte Optimierungsverfahren

Nachdem alle Eingabedaten vorbereitet sind, kann die Simulation einfach per Knopfdruck gestartet werden; Sie wird dann automatisch ausgeführt. Die Ergebnisse werden während dem Fortschritt der Simulation gespeichert, die nach Abschluss der Simulation grafisch zur Analyse angezeigt werden kann. Mit den automatisierten Optimierungsprozeduren kann der optimale Schweißstrom zum Erzielen einer gewünschten Größe der Schweißlinse erhalten werden.