Entwicklung einer nichtlinearen netzverzerrungsresistenten Simulationsmethodik für den Reibschweißprozess

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Elmar Woschke
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 554937854

Das Reibschweißen (RS) ist ein industriell gut etabliertes Fügeverfahren, da es wirtschaftlich, robust, präzise und reproduzierbar ist. Zur effizienten Optimierung von Prozessparametern bzw. zur Entwicklung neuer RS-Varianten stehen verschiedene Simulationsansätze zur Verfügung, wobei aufgrund der Charakteristik des RS-Prozesses die Simulation, sowohl materiell als auch geometrisch, als nichtlinearer Deformationsprozess behandelt werden muss. Eine Schwachstelle der Simulation stellt dabei die notwendige Neuvernetzung der Geometrien während der Zeitintegration dar. Neben dem offensichtlichen zeitlichen und rechentechnischen Mehraufwand aufgrund des bloßen Prozesses der erneuten Diskretisierung, bedingt auch die für das Newton-Raphson-Verfahren notwendige Tangentenmatix, welche ebenfalls erneut aufgestellt und invertiert werden muss, einen signifikanten Mehraufwand. Um diese Nachteile zu umgehen, kann ein zu den üblichen isoparametrischen finiten Elementen alternativer Ansatz verwendet werden, der zwei verschiedene Arten an Formfunktionen vorsieht, um die virtuellen und die nicht-virtuellen Feldgrößen zu approximieren. Als Resultat ergibt sich eine unsymmetrische Elementsteifigkeitsmatrix, weshalb das Verfahren auch als unsymmetrische Finite-Elemente-Methode (UFEM) bezeichnet wird. Es kann dabei gezeigt werden, dass diese alternative Formulierung netzverzerrungsresistent ist, d.h. dass auch bei großen Deformationen und stark verzerrten Elementen im Rahmen der Diskretisierung exakte Ergebnisse generiert werden. Damit ist es möglich das Problem der wiederholten Neuvernetzung bei der Simulation des RS-Prozesses zu vermeiden, was sowohl bzgl. der Rechenzeit als auch der zwangsläufigen Diskretisierungs- und Interpolationsfehler sowie dem Post-Processing signifikante Vorteile verspricht. Trotz der Entwicklung des Ansatzes der UFEM seit den 2000er Jahren ist die Übertragung auf geometrisch sowie materiell nichtlineare Fragestellungen mit geometrisch verzerrten Elementen bisher nur unzureichend erfolgt. Im Rahmen des Projekts soll deshalb die Anwendung der UFEM für RS-Simulationen entwickelt sowie unter Berücksichtigung der prozessspezifischen Bedingungen bzgl. der Vorteile und potentieller Nachteile detailliert analysiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen