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

This standard deals with a basic approach to the execution and documentation of a numerical welding simulation aimed at computational representation of the welding process itself and at its impact on the properties of a welded structure. A pertinent generally valid structure is presented that is independent of both the solution method and the concrete software. It offers assistance to the users in choosing the appropriate method depending on the welding process (as specified in EN ISO 4063) to be calculated and on the desired simulation result. It additionally provides a basis for getting familiarized with the numerical welding simulation in various branches of industry and accordingly refers to respective examples in subordinate secondary documents. It can also be employed for preparing requirements specifications or submitting bids and gives both the customers and the tenderers a lead for specifying the scope of supply and service.

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
Public Enquiry End Date
09-Nov-2015
Publication Date
06-Jun-2016
Technical Committee
Current Stage
6060 - National Implementation/Publication (Adopted Project)
Start Date
25-May-2016
Due Date
30-Jul-2016
Completion Date
07-Jun-2016

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Technical specification
TS CEN ISO/TS 18166:2016
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Standards Content (Sample)

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

2

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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.
3

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SIST-TS CEN ISO/TS 18166:2016

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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
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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

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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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kSIST-TS FprCEN ISO/TS 18166:2015

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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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
z
...

Questions, Comments and Discussion

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