A holistic approach on the simulation of rotary friction welding

Die Simulation von Fertigungs- und Fügeprozessen setzt tiefgreifende Kenntnisse über die ablaufenden physikalischen Vorgänge und deren mathematische Beschreibungsformen voraus. Im Fall des Rotationsreibschweißprozesses sind dies zum Beispiel Hochtemperaturplastizität, Wärmetransport, Kontakt und Reibung. Computermodelle, welche diese Phänomene abbilden können, sind in der Industrie aufgrund der Anforderungen an höchste Qualität, des enormen Kostendrucks und der immer kürzeren Produktentwicklungszyklen sehr gefragt. Die vorliegende Dissertationsschrift diskutiert einen ganzheitlichen Finite Elemente Ansatz, mit dem es möglich ist, die physikalischen Vorgänge des Rotationsreibschweißprozesses abzubilden. Dazu wird zunächst der Stand der Technik in Bezug auf Modellierungsansätze von Schweiß- und Umformvorgängen aufgezeigt und der Forschungsbedarf abgeleitet. Dieser umfasst Inhalte wie die Formulierung der Konstitutivgleichungen, die experimentelle Akquise der Materialparameter, die Netzerstellung und -restaurierung und die Reibungsmodellierung. Bezüglich dieser Modellbausteine werden alternative Ansätze entwickelt, diskutiert und anhand eines selbst entwickelten FE-codes implementiert und getestet. In einer vergleichenden Studie der Simulationsergebnisse zu experimentellen Reibschweißversuchen wird die Modellgüte bewertet. Die Ergebnisse verdeutlichen die Vorteile des adaptierten Carreau-Konstitutivgesetzes, der impliziten Netzerstellungsalgorithmen, der Ansätze zur numerischen Implementierung und der experimentellen Materialparameteridentifikation, welche sich in der hohen Abbildungsqualität der Simulation wiederspiegeln. Eine Vielzahl von anschaulichen Beispielen zeigt die Anwendungsfelder des entwickelten Prozessmodelles im industriellen Rahmen auf. Abschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst und es wird ein Ausblick auf weiterführende Arbeiten gegeben.