Numerical welding simulation - Execution and documentation (ISO/TS 18166:2016)

ISO/TS 18166:2016 provides a workflow for the execution, validation, verification and documentation of a numerical welding simulation within the field of computational welding mechanics (CWM). As such, it primarily addresses thermal and mechanical finite element analysis (FEA) of the fusion welding (see ISO/TR 25901:2007, 2.165) of metal parts and fabrications.
CWM is a broad and growing area of engineering analysis.
ISO/TS 18166:2016 covers the following aspects and results of CWM, excluding simulation of the process itself:
-      heat flow during the analysis of one or more passes;
-      thermal expansion as a result of the heat flow;
-      thermal stresses;
-      development of inelastic strains;
-      effect of temperature on material properties;
-      predictions of residual stress distributions;
-      predictions of welding distortion.
ISO/TS 18166:2016 refers to the following physical effects, but these are not covered in depth:
-      physics of the heat source (e.g. laser or welding arc);
-      physics of the melt pool (and key hole for power beam welds);
-      creation and retention of non-equilibrium solid phases;
-      solution and precipitation of second phase particles;
-      effect of microstructure on material properties.
The guidance given by this Technical Specification has not been prepared for use in a specific industry. CWM can be beneficial in design and assessment of a wide range of components. It is anticipated that it will enable industrial bodies or companies to define required levels of CWM for specific applications.
This Technical Specification is independent of the software and implementation, and therefore is not restricted to FEA, or to any particular industry.
It provides a consistent framework for-primary aspects of the commonly adopted methods and goals of CWM (including validation and verification to allow an objective judgment of simulation results).
Through presentation and description of the minimal required aspects of a complete numerical welding simulation, an introduction to computational welding mechanics (CWM) is also provided. (Examples are provided to illustrate the application of this Technical Specification, which can further aid those interested in developing CWM competency).
Clause 4 of this Technical Specification provides more detailed information relating to the generally valid simulation structure and to the corresponding application. Clause 5 refers to corresponding parts of this Technical Specification in which the structure for the respective application cases is put in concrete terms and examples are given. Annex A presents a documentation template to promote the consistency of the reported simulation results.

Numerische Schweißsimulation - Ausführung und Dokumentation (ISO/TS 18166:2016)

Diese Technische Spezifikation (TS) befasst sich mit der Vorgehensweise zur Durchführung, Validierung, Verifizierung und Dokumentation einer numerischen Schweißsimulation zur rechnerischen Abbildung des Schweißprozesses (en: computational welding mechanics, CWM). Hierzu bezieht sich diese Technische Spezifikation vorrangig auf die thermische und mechanische Finite-Elemente-Methode (FEM) (en: finite element analysis, FEA) beim Schmelzschweißen (siehe ISO/TR 25901:2007, 2.165) von metallischen Bauteilen und Konstruktionen.
Die numerische Schweißsimulation zur rechnerischen Abbildung des Schweißprozesses (CWM) ist ein breites und wachsendes Einsatzgebiet der technischen Analyse.
Diese Technische Spezifikation behandelt folgende Aspekte und Ergebnisse der CWM, mit Ausnahme der Simulation des Verfahrens an sich:
   Wärmestrom während der Analyse einer oder mehrerer Lagen;
   durch den Wärmestrom bedingte Wärmeausdehnung ;
   thermische Spannungen;
   Entstehung unelastischer Dehnungen;
   Auswirkung der Temperatur auf Werkstoffeigenschaften;
   Vorhersage der Eigenspannungsverteilungen;
   Vorhersage des Schweißverzuges.
Diese Technische Spezifikation bezieht sich auf folgende physikalische Effekte, die jedoch nicht ausführlich behandelt werden:
   Physik der Wärmequelle ( z. B. Laser oder Lichtbogen);
   Physik des Schweißbads (und Keyhole für Hochleistungsstrahlschweißungen);
   Ausbildung und Retention von festen Phasen im Nichtgleichgewichtszustand;
   Lösung und Ausscheidung von Sekundärphasenpartikeln;
   Auswirkung des Mikrogefüges auf Werkstoffeigenschaften.
Diese Technische Spezifikation wurde nicht für die Anwendung in einer spezifischen Industriebranche erstellt. CWM kann bei der Gestaltung und Bewertung einer Vielzahl von Bauteilen nützlich sein. Die Technische Spezifikation enthält ein System zur Gewichtung, das dem Anwender eine geschätzte Genauigkeit bietet. Dieses System soll Industrieorganisationen oder Firmen ermöglichen, erforderliche Niveaus der CWM für spezifische Anwendungen festzulegen.
Diese Technische Spezifikation ist unabhängig von der Software und der Durchführung und somit nicht auf die FEM oder eine bestimmte Industriebranche beschränkt.
Sie schafft einheitliche Rahmenbedingungen für die wesentlichen Aspekte der üblicherweise angewendeten Methoden und die Zielsetzung der CWM (einschließlich Validierung und Verifizierung für die objektive Beurteilung von Simulationsergebnissen).
Außerdem bietet sie durch Darstellung und Beschreibung der für eine vollständige numerische Schweißsimulation mindestens erforderlichen Aspekte eine Einleitung in die rechnerische Abbildung des Schweißprozesses (CWM). (Die angegebenen Beispiele sollen die Anwendung dieser Technischen Spezifikation verdeutlichen; diese Beispiele können für Personen, die ihre CWM-Kompetenz erweitern wollen, hilfreich sein.)

Simulation numérique de soudage - Exécution et documentation (ISO/TS 18166:2016)

L'ISO/TS 18166:2016 fournit une séquence d'exécution, de validation, de vérification et de documentation d'une simulation numérique de soudage dans le domaine de la mécanique du solide. À cet effet, l'ISO/TS 18166:2016 traite principalement de l'analyse thermique et mécanique, par la méthode des éléments finis, du soudage par fusion (voir ISO/TR 25901:2007, 2.165) d'assemblages métalliques.
La simulation numérique du soudage est une discipline en plein essor dans le domaine de l'ingénierie.
L'ISO/TS 18166:2016 couvre les aspects et résultats suivants de la simulation numérique du soudage, à l'exclusion de la simulation du procédé en lui-même:
-   le flux thermique pendant l'analyse d'une ou de plusieurs passes;
-   la dilatation thermique qui résulte de la conduction thermique;
-   les contraintes d'origine thermiques;
-   le développement de déformations plastiques;
-   l'effet de la température sur les propriétés des matériaux;
-   la prédiction de la distribution des contraintes résiduelles;
-   la prédiction des déformations générées par le soudage.
L'ISO/TS 18166:2016 fait référence aux effets physiques suivants, mais elle ne les traite pas de manière approfondie:
-   physique de la source de chaleur (par exemple, un laser ou un arc de soudage);
-   physique du bain de fusion (et du key hole pour les soudures par faisceau d'électrons);
-   création et rétention de phases solides en hors équilibre;
-   solution et précipitation de particules de seconde phase;
-   effet de la microstructure sur les propriétés des matériaux.
Les préconisations de l'ISO/TS 18166:2016 n'ont pas été élaborées pour être utilisées dans un secteur spécifique. La simulation numérique du soudage peut être bénéfique dans la conception et dimensionnement de nombreuses pièces. La présente Spécification technique comporte différents niveaux de mise en ?uvre qui offrent à l'utilisateur une estimation du degré précision permettant aux sociétés ou aux organismes industriels de définir les niveaux exigés en simulation numérique du soudage pour leurs applications spécifiques.
L'ISO/TS 18166:2016 n'est pas dépendante du logiciel et de la mise en ?uvre. Elle n'est dès lors pas exclusivement destinée à l'analyse par éléments finis ni à un secteur en particulier.
L'ISO/TS 18166:2016 offre un cadre cohérent pour les principaux aspects des méthodes et objectifs couramment adoptés pour la simulation numérique du soudage (y compris la validation et la vérification en vue de formuler un jugement objectif sur les résultats de simulation).
L'ISO/TS 18166:2016 propose également une introduction à la simulation numérique du soudage, avec la présentation et la description des critères minimum exigés d'une simulation numérique de soudage complète. (Des exemples qui peuvent aider les personnes souhaitant développer des compétences en simulation numérique du soudage sont donnés pour illustrer l'application de l'ISO/TS 18166:2016.)

Numerična simulacija varjenja - Izvedba in dokumentacija (ISO/TS 18166:2016)

Ta standard zajema osnovni pristop k izvedbi in dokumentaciji numerične simulacije varjenja, namenjene za računalniško predstavitev samega postopka varjenja in njegovega vpliva na lastnosti varjene konstrukcije. Predstavljena je relevantna splošno veljavna konstrukcija, ki je neodvisna od metode rešitve in dejanske programske opreme. Zagotavlja pomoč uporabnikom pri izbiri ustrezne metode glede na postopek varjenja (kot je navedeno v standardu EN ISO 4063), ki jo treba izračunati, in pri doseganju želenega rezultata simulacije. Poleg tega predstavlja osnovo za seznanjanje z numerično simulacijo varjenja v različnih vejah industrije in v skladu s tem navaja zadevne primere v podrejeni (sekundarni) dokumentaciji. Uporablja se lahko tudi za pripravo specifikacij zahtev ali oddajanje ponudb ter omogoča tako strankam kot ponudnikom, da določijo obseg dobave in storitev.

General Information

Status
Published
Publication Date
29-Mar-2016
Technical Committee
Drafting Committee
Current Stage
6060 - Definitive text made available (DAV) - Publishing
Due Date
30-Mar-2016
Completion Date
30-Mar-2016

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SLOVENSKI STANDARD
SIST-TS CEN ISO/TS 18166:2016
01-julij-2016
1XPHULþQDVLPXODFLMDYDUMHQMD,]YHGEDLQGRNXPHQWDFLMD ,6276
Numerical welding simulation - Execution and documentation (ISO/TS 18166:2016)
Numerische Schweißsimulation - Ausführung und Dokumentation (ISO/TS 18166:2016)
Simulation numérique de soudage - Exécution et documentation (ISO/TS 18166:2016)
Ta slovenski standard je istoveten z: CEN ISO/TS 18166:2016
ICS:
25.160.01 Varjenje, trdo in mehko Welding, brazing and
spajkanje na splošno soldering in general
SIST-TS CEN ISO/TS 18166:2016 en,fr,de

2003-01.Slovenski inštitut za standardizacijo. Razmnoževanje celote ali delov tega standarda ni dovoljeno.

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SIST-TS CEN ISO/TS 18166:2016
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SIST-TS CEN ISO/TS 18166:2016
CEN ISO/TS 18166
TECHNICAL SPECIFICATION
SPÉCIFICATION TECHNIQUE
March 2016
TECHNISCHE SPEZIFIKATION
ICS 25.160.01
English Version
Numerical welding simulation - Execution and
documentation (ISO/TS 18166:2016)

Simulation numérique de soudage - Exécution et Numerische Schweißsimulation - Ausführung und

documentation (ISO/TS 18166:2016) Dokumentation (ISO/TS 18166:2016)

This Technical Specification (CEN/TS) was approved by CEN on 3 December 2015 for provisional application.

The period of validity of this CEN/TS is limited initially to three years. After two years the members of CEN will be requested to

submit their comments, particularly on the question whether the CEN/TS can be converted into a European Standard.

CEN members are required to announce the existence of this CEN/TS in the same way as for an EN and to make the CEN/TS

available promptly at national level in an appropriate form. It is permissible to keep conflicting national standards in force (in

parallel to the CEN/TS) until the final decision about the possible conversion of the CEN/TS into an EN is reached.

CEN members are the national standards bodies of Austria, Belgium, Bulgaria, Croatia, Cyprus, Czech Republic, Denmark, Estonia,

Finland, Former Yugoslav Republic of Macedonia, France, Germany, Greece, Hungary, Iceland, Ireland, Italy, Latvia, Lithuania,

Luxembourg, Malta, Netherlands, Norway, Poland, Portugal, Romania, Slovakia, Slovenia, Spain, Sweden, Switzerland, Turkey and

United Kingdom.
EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION
COMITÉ EUROPÉEN DE NORMALISATION
EUROPÄISCHES KOMITEE FÜR NORMUNG
CEN-CENELEC Management Centre: Avenue Marnix 17, B-1000 Brussels

© 2016 CEN All rights of exploitation in any form and by any means reserved Ref. No. CEN ISO/TS 18166:2016 E

worldwide for CEN national Members.
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SIST-TS CEN ISO/TS 18166:2016
CEN ISO/TS 18166:2016 (E)
Contents Page

European foreword ....................................................................................................................................................... 3

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SIST-TS CEN ISO/TS 18166:2016
CEN ISO/TS 18166:2016 (E)
European foreword

This document (CEN ISO/TS 18166:2016) has been prepared by Technical Committee ISO/TC 44

"Welding and allied processes" in collaboration with Technical Committee CEN/TC 121 “Welding and

allied processes” the secretariat of which is held by DIN.

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of

patent rights. CEN [and/or CENELEC] shall not be held responsible for identifying any or all such patent

rights.

According to the CEN-CENELEC Internal Regulations, the national standards organizations of the

following countries are bound to announce this Technical Specification: Austria, Belgium, Bulgaria,

Croatia, Cyprus, Czech Republic, Denmark, Estonia, Finland, Former Yugoslav Republic of Macedonia,

France, Germany, Greece, Hungary, Iceland, Ireland, Italy, Latvia, Lithuania, Luxembourg, Malta,

Netherlands, Norway, Poland, Portugal, Romania, Slovakia, Slovenia, Spain, Sweden, Switzerland,

Turkey and the United Kingdom.
Endorsement notice

The text of ISO/TS 18166:2016 has been approved by CEN as CEN ISO/TS 18166:2016 without any

modification.
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SIST-TS CEN ISO/TS 18166:2016
TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 18166
First edition
2016-03-01
Numerical welding simulation —
Execution and documentation
Simulation numérique de soudage — Exécution et documentation
Reference number
ISO/TS 18166:2016(E)
ISO 2016
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SIST-TS CEN ISO/TS 18166:2016
ISO/TS 18166:2016(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2016, Published in Switzerland

All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form

or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior

written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of

the requester.
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www.iso.org
ii © ISO 2016 – All rights reserved
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SIST-TS CEN ISO/TS 18166:2016
ISO/TS 18166:2016(E)
Contents Page

Foreword ..........................................................................................................................................................................................................................................v

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 2

3 Terms and definitions ..................................................................................................................................................................................... 2

4 Description of the problem ....................................................................................................................................................................... 3

4.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 3

4.2 Simulation object .................................................................................................................................................................................. 4

4.3 Simulation objectives ........................................................................................................................................................................ 4

4.4 Physical model ......... ................................................................................................................................................................................ 4

4.5 Mathematical model and solution method ..................................................................................................................... 5

4.6 Implementation ...................................................................................................................................................................................... 5

5 Workflow ...................................................................................................................................................................................................................... 5

5.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 5

5.2 Simplifications and assumptions ............................................................................................................................................ 6

5.2.1 General...................................................................................................................................................................................... 6

5.2.2 Material properties ........................................................................................................................................................ 6

5.2.3 Model scale and scope ................................................................................................................................................. 6

5.2.4 Analysis coupling ............................................................................................................................................................. 6

5.3 Process description and parameters ................................................................................................................................... 7

5.4 Structure and weld geometries ................................................................................................................................................ 7

5.5 Materials ....................................................................................................................................................................................................... 7

5.5.1 General...................................................................................................................................................................................... 7

5.5.2 Thermo-physical material properties ........................................................................................................... 7

5.5.3 Thermo-mechanical material properties ................................................................................................... 7

5.6 Loads and boundary conditions............................................................................................................................................... 7

5.6.1 General...................................................................................................................................................................................... 7

5.6.2 Thermal.................................................................................................................................................................................... 7

5.6.3 Mechanical ............................................................................................................................................................................ 8

5.7 Results review ......................................................................................................................................................................................... 8

5.8 Reporting ..................................................................................................................................................................................................... 8

6 Validation and verification ........................................................................................................................................................................ 8

6.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 8

6.2 Verification of the simulation model .................................................................................................................................... 8

6.3 Calibration of the model parameters ................................................................................................................................... 8

6.4 Plausibility check of the simulation results ................................................................................................................... 9

6.5 Validation of the simulation results ...................................................................................................................................... 9

6.5.1 General...................................................................................................................................................................................... 9

6.5.2 Validation experiment guidelines ..................................................................................................................... 9

7 Reporting/display of results .................................................................................................................................................................... 9

7.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 9

7.2 Simulation object .................................................................................................................................................................................. 9

7.3 Material properties and input data ....................................................................................................................................10

7.4 Process parameter ............................................................................................................................................................................10

7.5 Meshing ......................................................................................................................................................................................................10

7.6 Numerical model parameters .................................................................................................................................................10

7.7 Analysis of results ..............................................................................................................................................................................10

Annex A (informative) Documentation template .................................................................................................................................11

Annex B (informative) Modelling of heat transfer during welding ....................................................................................12

Annex C (informative) Validation experiment guidelines ...........................................................................................................14

Annex D (informative) Modelling of residual stresses ....................................................................................................................16

© ISO 2016 – All rights reserved iii
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SIST-TS CEN ISO/TS 18166:2016
ISO/TS 18166:2016(E)

Annex E (informative) Distortion prediction ............................................................................................................................................17

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................19

iv © ISO 2016 – All rights reserved
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SIST-TS CEN ISO/TS 18166:2016
ISO/TS 18166:2016(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards

bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out

through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical

committee has been established has the right to be represented on that committee. International

organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.

ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of

electrotechnical standardization.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of

patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of

any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or

on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity

assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical

Barriers to Trade (TBT) see the following URL: Foreword - Supplementary information

The committee responsible for this document is ISO/TC 44, Welding and allied processes.

Requests for official interpretations of any aspect of this Technical Specification should be directed to

the Secretariat of ISO/TC 44 via your national standards body. A complete listing of these bodies can be

found at www.iso.org.
© ISO 2016 – All rights reserved v
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SIST-TS CEN ISO/TS 18166:2016
---------------------- Page: 12 ----------------------
SIST-TS CEN ISO/TS 18166:2016
TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 18166:2016(E)
Numerical welding simulation — Execution and
documentation
1 Scope

This Technical Specification provides a workflow for the execution, validation, verification and

documentation of a numerical welding simulation within the field of computational welding mechanics

(CWM). As such, it primarily addresses thermal and mechanical finite element analysis (FEA) of the

fusion welding (see ISO/TR 25901:2007, 2.165) of metal parts and fabrications.
CWM is a broad and growing area of engineering analysis.

This Technical Specification covers the following aspects and results of CWM, excluding simulation of

the process itself:
— heat flow during the analysis of one or more passes;
— thermal expansion as a result of the heat flow;
— thermal stresses;
— development of inelastic strains;
— effect of temperature on material properties;
— predictions of residual stress distributions;
— predictions of welding distortion.

This Technical Specification refers to the following physical effects, but these are not covered in depth:

— physics of the heat source (e.g. laser or welding arc);
— physics of the melt pool (and key hole for power beam welds);
— creation and retention of non-equilibrium solid phases;
— solution and precipitation of second phase particles;
— effect of microstructure on material properties.

The guidance given by this Technical Specification has not been prepared for use in a specific industry.

CWM can be beneficial in design and assessment of a wide range of components. It is anticipated that

it will enable industrial bodies or companies to define required levels of CWM for specific applications.

This Technical Specification is independent of the software and implementation, and therefore is not

restricted to FEA, or to any particular industry.

It provides a consistent framework for-primary aspects of the commonly adopted methods and goals of

CWM (including validation and verification to allow an objective judgment of simulation results).

Through presentation and description of the minimal required aspects of a complete numerical welding

simulation, an introduction to computational welding mechanics (CWM) is also provided. (Examples

are provided to illustrate the application of this Technical Specification, which can further aid those

interested in developing CWM competency).

Clause 4 of this Technical Specification provides more detailed information relating to the generally

valid simulation structure and to the corresponding application. Clause 5 refers to corresponding

© ISO 2016 – All rights reserved 1
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SIST-TS CEN ISO/TS 18166:2016
ISO/TS 18166:2016(E)

parts of this Technical Specification in which the structure for the respective application cases is put

in concrete terms and examples are given. Annex A presents a documentation template to promote the

consistency of the reported simulation results.
2 Normative references

The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are

indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated

references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.

ISO/TR 25901, Welding and related processes — Vocabulary
3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO/TR 25901 and the

following apply.
3.1
boundary conditions

conditions imposed at the spatial boundary of a computational model that describe the interaction

between the modelled and unmodelled domains

Note 1 to entry: Complete boundary conditions provide a unique solution to the specific mathematical problem

being solved.
3.2
geometric model

description of all geometries analysed within a simulation including the dimensionality of the

simulation object
3.3
mathematical model

model comprising the underlying essential mathematical equations including the appropriate initial

and boundary conditions
3.4
numerical simulation

simulation performed by adopting approximate mathematical methods generally performed on a

computer
3.5
physical model

full array of the physical process to be simulated and boundary and initial conditions relevant to the

simulation object as well as adopted simplifications and assumptions
3.6
plausibility check

check of the obtained calculation results in respect of their conformity with basic physical principles

3.7
simulation model

combination of the physical, geometrical and mathematical models and the solution method

3.8
spatial discretization
distribution and type of the geometric units for subdividing the geometric model
3.9
temporal discretization
step size and number of time units for subdividing the duration being modeled
2 © ISO 2016 – All rights reserved
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SIST-TS CEN ISO/TS 18166:2016
ISO/TS 18166:2016(E)
3.10
validation

process of determining the degree to which a model is an accurate representation of the physical

problem from the perspective of the intended uses of the model
3.11
validation experiment

experiment designed specifically for validating the simulation results taking account of all relevant

data and their uncertainty
3.12
verification
demonstration of the correctness of the simulation model
3.13
calibration

process of adjusting modelling parameter values in the simulation model for the purpose of improving

agreement with reliable experimental data
3.14
model
mathematical representation of a physical system or process
3.15
finite element analysis
FEA

numerical method for solving partial differential equations that describes the response of a system

to loading
3.16
heat flux
rate at which thermal energy is transferred through a unit area of surface
3.17
power density
amount of thermal power absorbed or generated per unit volume
3.18
prediction
estimation of the response of a physical system using a mathematical model
3.19
computational welding mechanics
CWM
subset of numerical simulation and analysis of welding
4 Description of the problem
4.1 General

Computational welding mechanics is a subset of numerical simulation and analysis of welding that is

primarily accomplished through use of the finite element method. Nonlinear thermal and mechanical

analyses are performed, which can be sequentially or fully coupled, where the welding power is

applied to the computational model in some way, and the resulting transient temperature (and possibly

microstructure) fields are then combined with mechanical material properties/models and boundary

conditions to predict the stress and strain in the model and its distortion. This description is not

intended to be all inclusive or restrictive, but is provided to establish the typical expected use to which

this Technical Specification might apply.
© ISO 2016 – All rights reserved 3
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SIST-TS CEN ISO/TS 18166:2016
ISO/TS 18166:2016(E)

This Technical Specification addresses the general CWM problem, which can be defined as a three-

dimensional solid element model employing a travelling power density heat source with simultaneous

calculation of temperature, microstructure and displacement, utilizing elasto-visco-plastic constitutive

models based on material properties ranging from room temperature to beyond the melting

temperature.

This does not preclude use of simplified methods, but rather provides a simulation method benchmark

from which simplifications can be judged. The need for simplifications are primarily driven by

computational limitations (size and speed), and apply to many industry problems, such as heavy section

welds in the pressure vessel or shipbuilding industries. As any simplification of the mathematical

model that represents the physical system may increase uncertainty in the simulation results, this

shall be counterbalanced with more effort in verification and validation of the model. Note that all

computational models require verification and validation, and this subject is addressed in greater detail

in Clause 6. The preceding discussion is formalized and expanded upon in the remaining subclauses.

4.2 Simulation object

The first item comprises the exact description of the component or overall structure, respectively, to be

investigated (e.g. geometry, service conditions), of the employed base and filler materials, of the welding

procedure and parameters, of the applied welding sequence as well as of the restraint conditions.

Optionally, a complementary graphical representation or photograph may be attached.

4.3 Simulation objectives

This item concerns the definition of the desired simulation results which ensue from the real task at

hand. This is particularly important since many realistic problems still require simplification in order

to be analysed with reasonable effort.

Examples include the calculation of welding residual stresses and/or distortions, the assessment of the

heat affected zone and its characteristics or the welding procedure net heat input.

In addition, the ultimate aim should be stated to which the desired simulation results are intended to

be further applied, such as:

— assessment of the structural integrity of the object under specified service loading conditions,

possibly including postulated or known material faults;

— optimization of necessary post weld treatment processes for the relief of welding distortions and/or

residual stresses;
— optimization of welding procedures;
— minimization of welding distortion and stresses.
4.4 Physical model

Depending on the objectives defined in 4.3, this item concerns the compilation of the respective

appropriate physical effects, boundary conditions and adopted simplifications and assumptions to be

simulated. Depending on the desired model complexity, the following exemplary physical effects and

influencing variables can be relevant:
— heat transport via heat conduction in the solid;
— convection and radiation at the surface;
— stress versus strain;
— materials changes such as microstructure transformations;
— dissolution or precipitation;
4 © ISO 2016 – All rights reserved
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SIST-TS CEN ISO/TS 18166:2016
ISO/TS 18166:2016(E)
— mechanical behaviour such as elasticity;
— instantaneous or time dependant-plasticity;
— strain hardening and recovery effect;
— thermal expansion;
— transformation induced plasticity.

These factors can be described either by text, graphs, tables, or formulae. The real boundary conditions,

most especially initial temperature in the solid, room temperature, and clamping conditions shall be

described purposefully.

The simplifications that have turned out to be necessary when defining the simulations goals and that

will be adopted in performing the simulation shall be described. The subsequent assumptions shall be

justified by verification and validation procedures detailed in Clause 6.
4.5 Mathematical model and solution method

Based on the factors compiled in 4.4, a correspondingly suited mathematical model shall here be

defined. To do this, the underlying essential differential equations shall be given or referred to. This

definition concern the geometrical model (2D, 3D), supplemented by the mathematical description of

the heat source as well as of the initial and boundary conditions. In case of general purpose commercial

mechanical analysis software, the selected options of the mathematical solution should be summarized.

Although the typical envisaged solu
...

SLOVENSKI STANDARD
kSIST-TS FprCEN ISO/TS 18166:2015
01-oktober-2015
1XPHULþQDVLPXODFLMDYDUMHQMD,]YHGEDLQGRNXPHQWDFLMD ,6235)76


Numerical welding simulation - Execution and documentation (ISO/PRF TS 18166:2015)

Numerische Schweißsimulation - Ausführung und Dokumentation (ISO/PRF TS
18166:2015)
Simulation numérique de soudage - Exécution et documentation (ISO/PRF TS
18166:2015)
Ta slovenski standard je istoveten z: FprCEN ISO/TS 18166
ICS:
25.160.01 Varjenje, trdo in mehko Welding, brazing and
spajkanje na splošno soldering in general
kSIST-TS FprCEN ISO/TS 18166:2015 de

2003-01.Slovenski inštitut za standardizacijo. Razmnoževanje celote ali delov tega standarda ni dovoljeno.

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kSIST-TS FprCEN ISO/TS 18166:2015
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TECHNISCHE SPEZIFIKATION
SCHLUSS-ENTWURF
FprCEN ISO/TS 18166
TECHNICAL SPECIFICATION
SPÉCIFICATION TECHNIQUE
Juli 2015
ICS 25.160.01
Deutsche Fassung
Numerische Schweißsimulation - Ausführung und
Dokumentation (ISO/PRF TS 18166:2015)

Numerical welding simulation - Execution and Simulation numérique de soudage - Exécution et

documentation (ISO/PRF TS 18166:2015) documentation (ISO/PRF TS 18166:2015)

Dieser Technische Spezifikation-Entwurf wird den CEN-Mitgliedern zur parallelen formellen Abstimmung vorgelegt. Er wurde vom

Technischen Komitee CEN/TC 121 erstellt.

CEN-Mitglieder sind die nationalen Normungsinstitute von Belgien, Bulgarien, Dänemark, Deutschland, der ehemaligen jugoslawischen

Republik Mazedonien, Estland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Irland, Island, Italien, Kroatien, Lettland, Litauen, Luxemburg, Malta,

den Niederlanden, Norwegen, Österreich, Polen, Portugal, Rumänien, Schweden, der Schweiz, der Slowakei, Slowenien, Spanien, der

Tschechischen Republik, der Türkei, Ungarn, dem Vereinigten Königreich und Zypern.

Die Empfänger dieses Norm-Entwurfs werden gebeten, mit ihren Kommentaren jegliche relevante Patentrechte, die sie kennen, mitzuteilen

und unterstützende Dokumentationen zur Verfügung zu stellen.

Warnvermerk : Dieses Schriftstück hat noch nicht den Status einer Technischen Spezifikation. Es wird zur Prüfung und Stellungnahme

vorgelegt. Es kann sich noch ohne Ankündigung ändern und darf nicht als Technischen Spezifikation in Bezug genommen werden.

EUROPÄISCHES KOMITEE FÜR NORMUNG
EUROPEAN COMMITTEE FOR STANDARDIZATION
COMITÉ EUROPÉEN DE NORMALISATION
CEN-CENELEC Management-Zentrum: Avenue Marnix 17, B-1000 Brüssel

© 2015 CEN Alle Rechte der Verwertung, gleich in welcher Form und in welchem Ref. Nr. FprCEN ISO/TS 18166:2015 D

Verfahren, sind weltweit den nationalen Mitgliedern von CEN vorbehalten.
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Inhalt
Seite

Vorwort ................................................................................................................................................................3

1 Anwendungsbereich .............................................................................................................................4

2 Normative Verweisungen ......................................................................................................................5

3 Begriffe ...................................................................................................................................................5

4 Problembeschreibung ...........................................................................................................................7

4.1 Allgemeines ............................................................................................................................................7

4.2 Simulationsobjekt ..................................................................................................................................7

4.3 Zielsetzung der Simulation ...................................................................................................................7

4.4 Physikalisches Modell ...........................................................................................................................8

4.5 Mathematisches Modell und Lösungsmethode ..................................................................................8

4.6 Implementierung ....................................................................................................................................8

5 Vorgehensweise .....................................................................................................................................9

5.1 Allgemeines ............................................................................................................................................9

5.2 Vereinfachungen und Annahmen ........................................................................................................9

5.3 Prozessbeschreibung und Prozessparameter .................................................................................10

5.4 Struktur und Schweißgeometrien ......................................................................................................10

5.5 Werkstoffe ............................................................................................................................................10

5.6 Beanspruchungen und Randbedingungen .......................................................................................11

5.7 Überprüfung der Ergebnisse ..............................................................................................................11

5.8 Angabe der Ergebnisse .......................................................................................................................11

6 Validierung und Verifizierung .............................................................................................................11

6.1 Allgemeines ..........................................................................................................................................11

6.2 Verifizierung des Simulationsmodells ...............................................................................................12

6.3 Kalibrierung der Modellparameter .....................................................................................................12

6.4 Plausibilitätsprüfung der Simulationsergebnisse ............................................................................12

6.5 Validierung der Simulationsergebnisse ............................................................................................12

7 Dokumentation/Angabe der Ergebnisse ...........................................................................................13

7.1 Allgemeines ..........................................................................................................................................13

7.2 Simulationsobjekt ................................................................................................................................13

7.3 Werkstoffeigenschaften und Eingabedaten ......................................................................................13

7.4 Prozessparameter ................................................................................................................................14

7.5 Vernetzung ...........................................................................................................................................14

7.6 Numerische Modellparameter ............................................................................................................14

7.7 Auswertung der Ergebnisse ...............................................................................................................14

Anhang A (informativ) Dokumentationsvorlage ...........................................................................................15

Anhang B (informative) Modellierung der Wärmeübertragung beim Schweißen .....................................16

Anhang C (informativ) Anforderungen an Richtlinien für Validierungsexperimente ...............................18

Anhang D (informativ) Modellierung von Eigenspannungen ......................................................................20

Anhang E (informativ) Vorhersage des Schweißverzuges ..........................................................................22

Literaturhinweise ..............................................................................................................................................24

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Vorwort

Dieses Dokument (FprCEN ISO/TS 18166:2015) wurde vom Technischen Komitee ISO/TC 44 „Welding and

allied processes“ in Zusammenarbeit mit dem Technischen Komitee CEN/TC 121 „Schweißen und verwandte

Verfahren“ erarbeitet, dessen Sekretariat vom DIN gehalten wird.
Dieses Dokument ist derzeit zur parallelen formellen Abstimmung vorgelegt.

Der Abschnitt 4 dieser Technischen Spezifikation enthält nähere Informationen zum allgemeinen

Simulationsaufbau und vergleichbarer Anwendungen.

Im Anhang A ist eine Dokumentationsvorlage für die Darstellung der Simulationsergebnisse enthalten.

Anerkennungsnotiz

Der Text von ISO/TS 18166:2015 wurde vom CEN als FprCEN ISO/TS 18166:2015 ohne irgendeine

Abänderung genehmigt.
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1 Anwendungsbereich

Diese Technische Spezifikation (TS) befasst sich mit der Vorgehensweise zur Durchführung, Validierung,

Verifizierung und Dokumentation einer numerischen Schweißsimulation zur rechnerischen Abbildung des

Schweißprozesses (en: computational welding mechanics, CWM). Hierzu bezieht sich diese Technische

Spezifikation vorrangig auf die thermische und mechanische Finite-Elemente-Methode (FEM) (en: finite element

analysis, FEA) beim Schmelzschweißen (siehe ISO/TR 25901:2007, 2.165) von metallischen Bauteilen und

Konstruktionen.

Die numerische Schweißsimulation zur rechnerischen Abbildung des Schweißprozesses (CWM) ist ein breites

und wachsendes Einsatzgebiet der technischen Analyse.

Diese Technische Spezifikation behandelt folgende Aspekte und Ergebnisse der CWM, mit Ausnahme der

Simulation des Verfahrens an sich:
⎯ Wärmestrom während der Analyse einer oder mehrerer Lagen;
⎯ durch den Wärmestrom bedingte Wärmeausdehnung ;
⎯ thermische Spannungen;
⎯ Entstehung unelastischer Dehnungen;
⎯ Auswirkung der Temperatur auf Werkstoffeigenschaften;
⎯ Vorhersage der Eigenspannungsverteilungen;
⎯ Vorhersage des Schweißverzuges.

Diese Technische Spezifikation bezieht sich auf folgende physikalische Effekte, die jedoch nicht ausführlich

behandelt werden:
⎯ Physik der Wärmequelle ( z. B. Laser oder Lichtbogen);
⎯ Physik des Schweißbads (und Keyhole für Hochleistungsstrahlschweißungen);
Ausbildung und Retention von festen Phasen im Nichtgleichgewichtszustand;
⎯ Lösung und Ausscheidung von Sekundärphasenpartikeln;
Auswirkung des Mikrogefüges auf Werkstoffeigenschaften.

Diese Technische Spezifikation wurde nicht für die Anwendung in einer spezifischen Industriebranche erstellt.

CWM kann bei der Gestaltung und Bewertung einer Vielzahl von Bauteilen nützlich sein. Die Technische

Spezifikation enthält ein System zur Gewichtung, das dem Anwender eine geschätzte Genauigkeit bietet.

Dieses System soll Industrieorganisationen oder Firmen ermöglichen, erforderliche Niveaus der CWM für

spezifische Anwendungen festzulegen.

Diese Technische Spezifikation ist unabhängig von der Software und der Durchführung und somit nicht auf

die FEM oder eine bestimmte Industriebranche beschränkt.

Sie schafft einheitliche Rahmenbedingungen für die wesentlichen Aspekte der üblicherweise angewendeten

Methoden und die Zielsetzung der CWM (einschließlich Validierung und Verifizierung für die objektive

Beurteilung von Simulationsergebnissen).
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Außerdem bietet sie durch Darstellung und Beschreibung der für eine vollständige numerische

Schweißsimulation mindestens erforderlichen Aspekte eine Einleitung in die rechnerische Abbildung des

Schweißprozesses (CWM). (Die angegebenen Beispiele sollen die Anwendung dieser Technischen

Spezifikation verdeutlichen; diese Beispiele können für Personen, die ihre CWM-Kompetenz erweitern wollen,

hilfreich sein.)
2 Normative Verweisungen

Die folgenden Dokumente, die in diesem Dokument teilweise oder als Ganzes zitiert werden, sind für die

Anwendung dieses Dokuments erforderlich. Bei datierten Verweisungen gilt nur die in Bezug genommene

Ausgabe. Bei undatierten Verweisungen gilt die letzte Ausgabe des in Bezug genommenen Dokuments

(einschließlich aller Änderungen).
ISO/TR 25901, Welding and related processes — Vocabulary
3 Begriffe

Für die Anwendung dieses Dokuments gelten die in ISO/TR 25901 angegebenen und die folgenden Begriffe.

3.1
Randbedingungen

Bedingungen, die entlang der räumlichen Begrenzung eines Rechenmodells zu erfüllen sind, die die

Beziehung zwischen den berechneten und nicht berechneten Modellbereichen (Domains) beschreiben

Anmerkung 1 zum Begriff: Vollständige Randbedingungen liefern eine eindeutige Lösung des spezifischen zu

lösenden mathematischen Problems
3.2
geometrisches Modell

Beschreibung aller Geometrien, die in einer Simulation analysiert wurden, einschließlich Dimensionalität des

Simulationsobjekts
3.3
mathematisches Modell

Modell, das die wesentlichen zugrundeliegenden mathematischen Gleichungen inklusive zugehöriger

Anfangs- und Randbedingungen umfasst
3.4
numerische Simulation

Simulation, die mittels mathematischer Methoden im Allgemeinen mit einem Computer durchgeführt wird

3.5
physikalisches Modell

Gesamtheit der für das vorliegende Simulationsobjekt relevanten zu simulierenden physikalischen Effekte und

Anfangs- und Randbedingungen sowie getroffene Vereinfachungen und Annahmen
3.6
Plausibilitätsprüfung

Kontrolle vorliegender Berechnungsergebnisse hinsichtlich Übereinstimmung mit prinzipiellen physikalischen

Grundsätzen
3.7
Simulationsmodell

Gesamtheit aus dem physikalischen Modell, dem geometrischen Modell und dem mathematischen Modell

sowie der Lösungsmethode
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3.8
räumliche Diskretisierung

Verteilung und Typ der Geometrieeinheiten für die Unterteilung des geometrischen Modells

3.9
zeitliche Diskretisierung

Schrittweite und Anzahl der Zeiteinheiten für die Unterteilung der zu modellierenden zeitlichen Abläufe

3.10
Validierung

Verfahren zur Bestimmung des Grads, mit dem ein Modell das physikalische Problem aus Sicht des

vorgesehenen Verwendungszwecks des Modells genau darstellt
3.11
Validierungsexperiment

für die Validierung der Simulationsergebnisse speziell geplantes Experiment mit möglichst vollständiger

Erfassung aller relevanten Daten und deren Unsicherheit
3.12
Verifizierung
Nachweis der Richtigkeit des Simulationsmodells
3.13
Kalibrierung

Verfahren zur Anpassung der Modellparameterwerte im Simulationsmodell zur Verbesserung der

Übereinstimmung mit zuverlässigen experimentellen Daten
3.14
Modell
mathematische Darstellung eines physikalischen Systems oder Prozesses
3.15
Finite-Elemente-Methode
FEM
(en: finite element analysis, FEA)

numerische Methode zur Lösung partieller Differenzgleichungen, die das Ansprechverhalten eines Systems auf

Beanspruchung beschreibt
3.16
Wärmestrom
Wärmeenergiemenge, die durch eine Flächeneinheit übertragen wird
3.17
Leistungsdichte
je Volumeneinheit absorbierte oder erzeugte Wärmeleistungsmenge
3.18
Vorhersage

Schätzung des Ansprechverhaltens eines physikalischen Systems mittels eines mathematischen Modells

3.19
rechnerische Abbildung des Schweißprozesses
CWM
(en: computational welding mechanics)
Bestandteil der numerischen Schweißsimulation und –analyse
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4 Problembeschreibung
4.1 Allgemeines

Die rechnerische Abbildung des Schweißprozesses ist ein Bestandteil der numerischen Schweißsimulation

und –analyse, die hauptsächlich mittels Finite-Elemente-Methode erreicht wird. Es werden nichtlineare

thermische und mechanische Analysen durchgeführt, die teilweise oder vollständig gekoppelt sein können,

wobei die Schweißleistung in irgendeiner Weise auf das Rechenmodell angewendet wird und die

resultierenden transienten Temperaturfelder (und mögliche Mikrostrukturbereiche) anschließend mit den

mechanischen Werkstoffeigenschaften/Modellen und Randbedingungen kombiniert werden, um die Spannung

und Dehnung im Modell und dessen Verzug vorherzusagen. Diese Beschreibung soll weder allumfassend

noch restriktiv sein, sondern dient dazu, die übliche erwartete Anwendung festzulegen, für die diese

Technische Spezifikation gelten könnte.

Diese Spezifikation befasst sich mit dem generellen CWM-Problem, das als ein dreidimensionales

Volumenmodell definiert werden kann, das sich mit der Leistungsdichte einer beweglichen Wärmequelle mit

gleichzeitiger Berechnung von Temperatur, Mikrostruktur und Verformung unter Verwendung von elasto-

viskoplastischen Werkstoffmodellen auf Grundlage der Werkstoffeigenschaften im Bereich von

Raumtemperatur bis oberhalb der Schmelztemperatur beschäftigt.

Das schließt die Verwendung von vereinfachten Methoden nicht aus, sondern bietet eher eine Orientierung für

die Beurteilung von Vereinfachungen der Simulationsmethode. Vereinfachungen werden in erster Linie

aufgrund rechnerbedingter Einschränkungen (Größe und Geschwindigkeit) notwendig und gelten für viele

industrielle Problemstellungen, z. B. dickwandige Schweißungen in der Druckbehälter- oder Schiffbau-

industrie. Da jede Vereinfachung des mathematischen Modells, das das physikalische System darstellt, die

Unsicherheit der Simulationsergebnisse erhöhen kann, muss das durch zusätzlichen Aufwand bei der

Verifizierung und Validierung des Modells ausgeglichen werden. Alle Rechenmodelle erfordern Verifizierung

und Validierung; dieses Thema wird in Abschnitt 6 näher behandelt. Die vorherige Diskussion wird in den

übrigen Unterabschnitten formalisiert und fortgeführt.
4.2 Simulationsobjekt

Der erste Punkt umfasst die genaue Beschreibung des zu untersuchenden Bauteils bzw. der gesamten

Konstruktion (z. B. Geometrie, Einsatzbedingungen), der verwendeten Grund- und Zusatzwerkstoffe, des

Schweißverfahrens und der Schweißparameter, der verwendeten Schweißfolge sowie der Einspann-

bedingungen. Wahlweise darf eine ergänzende grafische Darstellung oder ein Foto beigefügt werden.

4.3 Zielsetzung der Simulation

Hierbei werden die angestrebten Simulationsergebnisse, welche sich aus der realen Aufgabenstellung

ergeben, festgelegt. Das ist besonders wichtig, weil viele realistische Probleme dennoch eine Vereinfachung

erfordern, um mit vertretbarem Aufwand analysiert werden zu können.

Einige mögliche Beispiele hierzu sind die Berechnung von Schweißeigenspannungen und/oder Schweiß-

verzügen, die Bewertung der Eigenschaften der Wärmeeinflusszone oder des Wärmeeintrags des Schweiß-

prozesses.

Ergänzend sollte ein übergeordnetes Ziel genannt werden, für welches die angestrebten Simulations-

ergebnisse weiterverwendet werden sollen, beispielsweise:

⎯ Beurteilung der strukturellen Unversehrtheit des Objekts unter festgelegten Beanspruchungs-

bedingungen, möglicherweise einschließlich anzunehmender oder bekannter Werkstofffehler;

⎯ Optimierung erforderlicher Wärmenachbehandlungen zum Beseitigen von Schweißverzügen und/oder

Eigenspannungen;
⎯ Optimierung der Schweißverfahren;
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⎯ Minimierung von Schweißverzug und Schweißspannungen.
4.4 Physikalisches Modell

In Abhängigkeit der in 4.3 festgelegten Ziele werden in diesem Abschnitt die jeweils zugehörigen zu

simulierenden physikalischen Effekte, Randbedingungen und getroffene Vereinfachungen und Annahmen

zusammengetragen. In Abhängigkeit von der angestrebten Modellkomplexität können beispielsweise folgende

physikalische Effekte und Einflussgrößen relevant sein:
⎯ Wärmetransport über Wärmeleitung im Feststoff;
⎯ Konvektion und Strahlung an der Oberfläche;
⎯ Spannung in Abhängigkeit von der Dehnung;
⎯ Werkstoffveränderungen, wie Gefügeumwandlungen;
⎯ Lösungen oder Ausscheidungen;
⎯ mechanisches Verhalten, wie Elastizität;
⎯ sofortige oder zeitabhängige Plastizität;
⎯ Kaltverfestigung und Erholungseffekt;
⎯ Wärmeausdehnung;
⎯ Umwandlungsplastizität.

Diese Faktoren können entweder mit Texten, Diagrammen, Tabellen oder Formeln beschrieben sein. Die

realen Randbedingungen, insbesondere Anfangstemperatur im Feststoff, Umgebungstemperatur und Ein-

spannbedingungen, müssen zweckmäßig beschrieben werden.

Die im Zuge der Zielsetzung der Simulation notwendig gewordenen und für die Durchführung der Simulation

gewählten Vereinfachungen müssen beschrieben werden. Die anschließenden Annahmen müssen durch

Verifizierungs- und Validierungsverfahren nach Abschnitt 6 begründet werden.
4.5 Mathematisches Modell und Lösungsmethode

Basierend auf den Angaben nach 4.4 muss hier ein geeignetes mathematisches Modell festgelegt werden.

Hierzu müssen die wesentlichen zugrundeliegenden Differentialgleichungen genannt werden bzw. muss auf

diese verwiesen werden. Dieses umfasst beispielsweise das geometrische Modell (2D, 3D), ergänzt mit der

mathematischen Beschreibung der Wärmequelle sowie der Anfangs- und Randbedingungen. Weiterhin

sollten die handelsübliche Software für die mechanische Analyse und die gewählten Bedingungen der

mathematischen Lösung zusammengefasst werden.

Obwohl üblicherweise die Finite-Elemente-Methode (FEM) beabsichtigt wird, sollte die Lösungsmethode

immer explizit angegeben werden, z. B. analytisch, different- oder komplementärnumerisch, stochastisch.

4.6 Implementierung

Die Beschreibung der Implementierung enthält konkrete auf das Simulationsobjekt nach 4.2 bezogene

Angaben und betrifft die räumliche Diskretisierung, z. B.:
⎯ FE-Netz, einschließlich Festlegung der Elementtypen;
⎯ zeitliche Diskretisierung;
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⎯ Werkstoffkennwerte;
⎯ Anfangs- und Randbedingungen.
Das Ergebnis der Implementierung ist das Simulationsmodell.
5 Vorgehensweise
5.1 Allgemeines

Die numerische Modellierung [Auswahl der finiten Elemente (FE), Diskretisierung, Lösung usw.] ist ein

Bestandteil der Aufgabe des Fachmanns für die rechnerische Abbildung des Schweißprozesses und liegt

außerhalb des Anwendungsbereiches dieser Technischen Spezifikation.

Der Leser wird auf ASME V&V verwiesen, der einen detaillierten Rahmen für die Verifizierung und Validierung

(oder „Validierung und Verifizierung“) der allgemeinen rechnerischen Festkörpermechanik liefert, und auch auf

R6 für ein genormtes CWM-Verfahren.

Im nächsten Abschnitt werden die folgende Beschreibung der Vorgehensweise und die empfohlene Methodik

für die Verifizierung und Validierung (oder „Validierung und Verifizierung“) angegeben.

5.2 Vereinfachungen und Annahmen
5.2.1 Allgemeines

Vereinfachungen und Annahmen sind im unterschiedlichen Maße Bestandteil eines Simulationsmodells.

Dieser Abschnitt beschäftigt sich mit wichtigen Analyseneingaben; Analyseneingaben, die entweder

wesentlich für die Analyse sind oder auf die die Analyse besonders empfindlich reagieren wird.

5.2.2 Werkstoffeigenschaften

Die Genauigkeit der Vorhersage hängt bei der CWM zum Teil von der Genauigkeit der in den Modellen

verwendeten thermophysikalischen und thermomechanischen Eigenschaften ab. Die Unsicherheit der

Werkstoffeigenschaften kann mittels moderner Prüfungen erheblich verringert werden, trotzdem ist selbst

dann die Eigenschaftsbestimmung nicht über den gesamten Temperaturbereich des Schweißproblems

möglich. Deshalb hängen die Annahmen mit den ausgewählten Werkstoffeigenschaften zusammen und

müssen sorgfältig dokumentiert werden. Üblicherweise wird diese Unsicherheit mit einer Sensitivitätsanalyse

aller berechneten Eigenschaften oder aller Eigenschaften mit wesentlicher Unsicherheit berücksichtigt.

ANMERKUNG Üblicherweise wird eine Abbruchtemperatur verwendet, um die Auswirkung der Unsicherheit der

Eigenschaft bei hoher Temperatur zu verringern.
5.2.3 Modellumfang und Modellanwendung

Eine der zu treffenden wesentlichen Auswahlmöglichkeiten bei einem CWM-Modell betrifft den Modellumfang

und die Modellanwendung. Die genaue Beschreibung richtet sich nach dem Simulationsobjekt, wie in 4.2

festgelegt. Wenn das Simulationsmodell keine genaue Beschreibung implementiert, wurde bei der Problem-

stellung eine Annahme oder Vereinfachung angewendet. Hinsichtlich Modellumfang und Modellanwendung im

Zusammenhang mit CWM besteht die üblichste Vereinfachung darin, ein 3D-Modell durch eine 2D-

Idealisierung zu ersetzen. Die 3D-Modellierung und –Analyse stellt bei der CWM den strengsten Ansatz dar;

denn der Schweißprozess ist grundsätzlich dreidimensional und selbst bei den höchsten Schweiß-

geschwindigkeiten oder dünnsten Querschnitten streng lokal. Vorausgesetzt, die bei einer bestimmten CWM-

Analyse angewendeten Vereinfachungen sind nachvollziehbar, ist bei dem spezifischen zu untersuchenden

Problem gegen die Vereinfachung jedoch nichts einzuwenden. Vielmehr kann eine 2D-Analyse häufig

schnellen Zugang zu aussagekräftige Ergebnisse ermöglichen. 2D-Modelle sind außerdem bei dickwandigen

Mehrlagenschweißungen nützlich, um die Auswirkung von Schweißfolgenveränderungen und wesentlicher

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FprCEN ISO/TS 18166:2015 (D)

geometrischer Veränderungen qualitativ zu untersuchen. Trotzdem hängt die spezifische Qualität der Lösung

und Größe der Näherung stark von Bauteilgröße, Bauteildicke und Wärmeeintrag ab. Nachfolgend werden die

üblichen bei der Analyse getroffenen Annahmen kurz erörtert. Die Auswahl eines 2D-Modells

(axialsymmetrisch, ebene Dehnung, ebene Spannung), 3D-Modells (Volumen-, Festkörpermodell) oder

Schalenmodells wird durch die Zielsetzung der Simulation und die Kennwerte der Analysen bestimmt.

5.2.4 Kopplung von Analysen

Bei der CWM wird häufig ein sequentiell gekoppelter Ansatz verwendet, bei dem mechanische und

thermische Analyse nacheinander durchgeführt werden. Der sequentiell gekoppelte Ansatz ist üblicherweise

gültig, weil die Kopplung der thermischen, metallurgischen und mechanischen Effekte beim Schmelz-

schweißen meist einseitig ist. Die mechanische Spannung und Verformung, z. B. Temperaturanstieg bei

plastischer Verformung, haben voraussichtlich einen sehr geringen Einfluss auf die Temperaturverteilung; sie

haben auch keine Auswirkung auf die meisten Phasenumwandlungen. Der sequentiell gekoppelte Ansatz ist

rechnerisch betrachtet weniger aufwendig als der vollständig gekoppelte Ansatz.

Beim vollständig gekoppelten Ansatz werden die maßgeblichen Gleichungen für Wärmeübertragung sowie

mechanische Spannung und Dehnung gleichzeitig gelöst. Obwohl es selten vorkommt, gibt es Fälle, in denen

der vollständig gekoppelte Ansatz für genaue Simulationsergebnisse erforderlich ist. Am beachtlichsten sind

Fälle, bei denen sich die Kontaktbedingungen verändern und die Wärmeübertragung erheblich beeinflussen

können, oder wenn die zu schweißenden Bauteile nicht fest verankert sind und starke erzeugte

Schweißverzüge an der Schweißung die Passungsbedingungen verändern.
5.3 Prozessbeschreibung und Prozessparameter

Die Prozessbeschreibung ist obligatorisch, um eine numerische Schweißsimulation zu erhalten. Die folgenden

Angaben müssen mindestens erfasst werden:
⎯ Definition des Schweißprozesses;
⎯ mittlere Energie je Längeneinheit;
⎯ Schweißgeschwindigkeit;
⎯ Schweißweg;
⎯ Abschmelzleistung.
5.4 Struktur und Schweißgeometrien

Um das FE-Netz des Bauteils festzulegen, müssen die Bauteilabmessungen angegeben werden. Gegebenen-

falls muss die Einspanneinrichtung auf die gleiche Weise beschrieben werden.
5.5 Werkstoffe
5.5.1 Allgemeines

Die chemische Zusammensetzung der Grundwerkstoffe muss zusammen mit dem Werkstoffzustand ange-

geben werden. Gegebenenfalls muss der Schweißzusatz auf die gleiche Weise beschrieben werden.

5.5.2 Thermophysikalische Eigenschaften des Werkstoffes

Für die Berechnungen sind Daten der temperaturabhängigen thermophysikalischen Eigenschaften für den

beim Schweißen im Werkstoff auftretenden Temperaturbereich erforderlich. Da nur Berechnungen im festen

Zustand berücksichtigt werden, könnte die Konvektion in der Schmelzzone durch künstliche Zunahme der

Wärmeleitfähigkeit oberhalb der Schmelztemperatur modelliert werden.
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5.5.3 Thermomechanische Eigenschaften des Werkstoffes

Für die Berechnungen sind Daten der temperaturabhängigen thermomechanischen Eigenschaften für den

beim Schweißen im Werkstoff auftretenden Temperaturbereich erforderlich.

Die Prüfung des Werkstoffes zur Identifikation des Gesetzes des mechanischen Verhaltens muss möglichst

bei den Schweißbedingungen (d. h. hohe Erwärmungs- und Kühlgeschwindigkeit, Berücksichtigung von

Phasenumwandlungen, bei zyklischer Beanspruchung auf Zug und Druck) unter Berücksichtigung der

...

Questions, Comments and Discussion

Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.