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Gut zu wissen: Hilfreiche Tipps und Tricks aus der Praxis prägnant, und auf den Punkt gebracht für Ansys
Autor Thema:  Ultraschallschweißen (2257 mal gelesen)
RustyCohle
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erstellt am: 18. Aug. 2017 13:08    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities


Prinzip.jpg

 
Hallo Zusammen,
nachdem ich in den letzten Wochen bereits einige konkrete Fragen sehr schnell und kompetent in diesem Forum beantwortet bekommen habe, möchte (muss) ich dieses Mal etwas allgemeiner werden. Und zwar geht es um mein gesamtes Projekt. Meine Aufgabe besteht darin, den Prozess des Ultraschallschweißens bei Kunststoffen ( in dem Fall PA 6) zu simulieren. Am Ende sollte im Idealfall ein Temperaturprofil simuliert werden, dass sich in gutem Einklang mit experimentellen Daten befindet. Der prinzipielle Aufbau des ganzen Prozesses habe ich mal bildllich dargestellt (Bild 1). Die Ultraschallschwingung ist sehr hochfrequent ( 20kHz und höher) und wird der statischen Kraft überlagert. Durch die Schwingung erwärmen sich die beiden Bauteile. Im Kontaktbereich kommt es durch Reibung zu einer noch stärkeren Erwärmung, was schließlich zum Aufschmelzen des rechteckigen "Propfens" führt. Meine Arbeit erstreckt sich jedoch nur bis zur eintretenden Verformung. Begonnen habe ich als ANSYS-Grünschnabel zunächst mit einer statisch-mechanischen Analyse um die entsprechenen Lagerungen und Belastungen einzutragen. Durch die sehr hohe Frequenz läuft mir dabei aber die Berechnungszeit vollständig aus dem Ruder. Auch habe ich Probleme das ganze mit einer thermischen Analyse zu koppeln, da sich beide Systeme gegenseitig stark beeinflussen und nach meinem Wissensstand ein hin-und rückgekoppeltes mechanisch-thermisches System nur über APDL-Befehle zu realisieren ist.
Jetzt stellt sich mir die Frage ob mein Ansatz mit der Koppelung einer statisch-mechanischen Analyse und einer transient-thermischen Analyse überhaupt zielführend sein kann? 
Um es noch einmal zusammen zu fassen: statische Kraft + hochfrequente Schwingung + Reibung im Kontaktbereich führt zur Erwärmung, die in einem zeitliches Temperaturprofil dargestellt werden soll.
Für Denkanstöße und Ansätze zur Lösung wäre ich sehr dankbar. 

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Duke711
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erstellt am: 18. Aug. 2017 14:15    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für RustyCohle 10 Unities + Antwort hilfreich

Bei Schwingungen eignet sich im übrigen keine statische Analyse. Entweder eine harmonische, wenn die Schwingungen sich mit einer Funktion definieren lassen, z.B: Sinus(x), oder eine transient mechanische Analyse.

Ich würde eine transient mechansiche Analyse probieren, sollten die Vorgänge zu schnell ablaufen, würde ich zum expiziten Solver (explizite Analyse) wechseln.

Darüber dann die frictional heat, also die Reibungswärme in heat flux ermitteln und diese als external Data speichern. Denn die transient mechanische Analyse kann in der WB nicht auf einer thermischen Analyse gemappt werden, dass funktioniert nur invertiert.
Im Setup der transient thermsiche Analyse dann die external Data mappen bzw. importieren.
Anschließend ist das denn eine gewöhnliche Schweißsimulation mit Birth and Death Elementen. Die man auch in der WB wunderbar per APDL Befehl aufrufen kann.

[Diese Nachricht wurde von Duke711 am 18. Aug. 2017 editiert.]

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RustyCohle
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erstellt am: 21. Aug. 2017 10:18    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Vielen Dank für deine Antwort! Ich habe mein Modell jetzt mal in der transienten Strukturmechanik implementiert. Habe mich zunächst über die deutlich kürzere Berechnungszeit gefreut bis ich festgestellt habe, dass das wohl daran lag, dass als Werkstoff bei beiden Teilen noch Baustahl angegeben war. Als ich den Werkstoff in Polyamid 6 geändert  habe, waren die Berechnungszeiten wieder ähnlich lang wie in der statischen Analyse. Der Unterschied ist wirklich enorm, bei Baustahl benötigt das Lösen ungefähr 30 Sekunden, bei dem von mir definierten Material PA6 sind es über 10 (!) Minuten. 

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RustyCohle
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erstellt am: 22. Aug. 2017 17:25    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Ich habe heute mal eine thermisch-stationäre mit einer transient-mechanischen Analyse gekoppelt. Das Problem: WB hat nur die Möglichkeit in eine Richtung zu koppeln. Das heißt für mich, dass mein Problem, bei dem sich Thermik und Mechanik permanent gegenseitig beeinflussen, nicht modellierbar ist. Mit APDL-Befehlen lassen sich zwar thermische Lasten in der transienten Strukturmechanik aufbringen, aber das ist auch nicht wirklich das, was ich brauche.
Ich müsste die innere Erwärmung in der thermisch-stationären Analyse in Abhängigkeit der elastischen Dehnung aus der mechanischen Analyse in der Form angeben:

Q = 0,5 * ω * ε^2 * E''

wobei ω die Kreisfrequenz der mechanischen Kraft-Schwingung darstellt, ε die Dehnung aufgrund der Schwingung und E'' der Verlustmodul des Werkstoffes. Der Verlustmodul ist zu allem Überfluss auch noch abhängig von der Temperatur, die allerdings wiederum von der inneren Erwärmung Q abhängt.
Kann sich jemand mit mehr Erfahrung in WB als ich vorstellen, dass sowas zu machen ist?
Sitze jetzt bereits etliche Wochen davor und komme effektiv nicht wirklich voran. Im Notfall muss das ganze wohl als gescheitert deklariert werden.

Gruß

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Duke711
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erstellt am: 22. Aug. 2017 20:05    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für RustyCohle 10 Unities + Antwort hilfreich

Steht doch alles im Post 2.

Die Materialdaten sind übrigens Temperaturgebunden. In der dynamischen Analyse wird sehr wohl die Temperatur berücksichtigt, voraussgesetzt es wurden Temperaturkurven bei den Materialdaten definiert.
Hier sollte nun der Wärmestrom (heat flux) ermittel werden.

Ich sehe keine Rückkopplung. Der Wärmestrom ist eine Absolute Größe.
Schweißsimulationen werden mit thermischen Elementen (thermische Analyse) durchgeführt.
Dem Solver ist es vollkommen gleichgültig, wie nun dieser Wärmestrom erzeugt wird. (Chemische Oxidation, Lichtbogen, Laser, etc)

[Diese Nachricht wurde von Duke711 am 22. Aug. 2017 editiert.]

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RustyCohle
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erstellt am: 23. Aug. 2017 11:06    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Danke für deine Antwort! Bei der Reibungswärme kommt es zu keiner Rückkopplung, da hast du natürlich völlig Recht. 
Ich habe, glaube ich, nicht genug hervorgehoben, dass der Hauptteil der Erwärmung durch viskoelastische Dissipation im gesamten Werkstoff entsteht. Das heißt, dass ein Teil der Dehnungsenergie bei jeder Schwingungsperiode in Wärme umgewandelt wird, der andere Teil wird elastisch zurückgegeben. Mit steigender Temperatur wird der Anteil der Dehnung, die in Wärme überführt wird, immer größer.
Das heißt, man müsste am Ende jeder Schwingungsperiode den Anteil an dissipierter Wärme ermitteln und extrahieren, damit dann das Temperaturprofil erneuern, dann mit den erneuerten temperaturabhängigen Parametern die nächste Schwingungsperiode simulieren. Das stelle ich mir bei 20 kHz ziemlich rechenaufwendig vor.
Wissenschaftler von der Universität in Dalian (China) haben ebenfalls das Ultraschallschweißen von Kunststoffen mit ANSYS simuliert. Sie haben das ganze allerdings in Classic gemacht und für die beschriebene viskoelastische Erwärmung ein Makro in APDL geschrieben. Konnte bisher leider noch keinen Kontakt zu ihnen aufnehmen.
Meine Idee war jetzt die simulierte Dehnung aus der mechanischen Analyse, die man sich als Dehnung in jedem Knoten ausgeben lassen kann, mit Hilfe der in meinem vorherigen Post genannten Formel, in innere Wärmeerzeugung je Knoten umzurechnen. Die innere Wärmeerzeugung kann ich in der thermischen Analyse aber nur in Abhängigkeit der Zeit angeben. Mir fehlt da irgendwie komplett die Brücke von den durch Schwingung ausgelösten Dehnung zur inneren Wärmeentwicklung. Ich habe nur die Formel(siehe oben) auf Papier. Das Implementieren dieses Zusammenhangs misslingt mir aber.
Meine Arbeit beinhaltet nur die viskoelastische Erwärmung und die Erwärmung durch Reibung. Verformung, Schmelzen und schlussendliches Fügen sind nicht mehr Teil davon. Das heißt, dass es eigentlich kein wirklicher Schweißprozess ist, sondern erstmal nur ein Erwärmungsprozess aufgrund von mechanischer Schwingung und und im deutlich kleineren Maß von Reibung.

Gruß

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Duke711
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erstellt am: 23. Aug. 2017 11:58    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für RustyCohle 10 Unities + Antwort hilfreich

Dann könnte man folgendes probieren:

Kopplung:

[mechanisch - thermisch] - [mechanisch - thermisch]

Erste Kopplung geht per APDL Befehl über die Coupled-Field Elemente z.B: Solid 226/227.

Mit user definied result expressions kann man dann die thermsichen Ergebnisse plotten:

https://www.youtube.com/watch?v=_hrZVJg8b3o

Anschließend erfolgt eine weitere Kopplung der Thermischen mit der Mechanischen.
In der WB werden natürlich nur zwei transient mechansiche Anlaysen gekoppelt. Denn die themische Kopplung wird per ADPL Befehl durchgeführt.


Aber ich denke es wird letztendlich auf eine Bedingungsschleife hinauslaufen. In dem nach jeder Schwingungsperiode der Anteil der dissipierten Wärme ermittelt und gemappt wird.
Das wird vermutlich auch das Makro der Chinesen so handhaben.

[Diese Nachricht wurde von Duke711 am 23. Aug. 2017 editiert.]

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RustyCohle
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erstellt am: 24. Aug. 2017 14:02    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Vielen Dank für deine Antwort! Ich werde es mal so versuchen. 

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RustyCohle
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erstellt am: 25. Aug. 2017 11:18    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities


Bild1.jpg

 
Ich habe jetzt mein Modell mit Hilfe eines Videos aufgebaut. Allerdings habe ich dieses Video für 2D-Modelle benutzt

https://www.youtube.com/watch?v=p6IoDlNz5GU


Da es bei mir eine 2D-Analyse ist, ist der Element-Typ ein anderer (PLANE 223). Habe folgende APDL-Befehle in meinem Modell.

Befehl an den Körpern:

et, matid+5, 223, 11

Befehl am Kontakt:

keyopt, cid, 1, 1

keyopt, cid, 10, 2

keyopt, cid, 9, 1

r, cid, 1e-3, 0.1

rmodif, cid, 14, 1e4  <- hier liegt das Problem, wenn ich das richtig sehe

Befehl in der Analyse:

tref, 22

cmsel, s, bot

d, all, temp, 22

allsel

trnopt, full

Unterdrücke ich den Befehl "rmodif, cid, 14, 1e4" ergibt sich das Temperaturprofil aus Bild 1. Als Komponente habe ich die untere Kante des unteren Bauteils definiert.


Aktiviere ich ihn wieder kommt folgende Fehlermeldung:

The value of TEMP at node 401 is 3.642441014E+16.  It is greater than  
the current limit of 1000000 (which can be reset on the NCNV command). 
  This generally indicates that there are no temperature constraints or 
convections applied.

Das heißt für mich, dass ohne den rmodif-Befehl die Reibungswärme für die Temperatur gar nicht beachtet wird. Aktiviere ich diesen Befehl schießt die berechnete Temperatur allerdings völlig durch die Decke.   
Das keine constraints oder convections angebracht sind verstehe ich nicht, da ich jeden Schritt des Videos befolgt habe und keinen Unterschied zum Modell (außer in der Geometrie) im Video erkennen kann.

Edit: Die 14. real constant definiert die Thermal contact conductance. Wenn ich meine Kraft sehr sehr klein halte ( im Bereich von 10e-6N), dann funktioniert es einwandfrei. Es muss also am Wert der 14. real constant liegen.   Das Problem ist jetzt noch, dass die Temperatur in nahezu allen bereichen bei 0°C liegt, obwohl ich doch als Tref 22°C angegeben habe. 

[Diese Nachricht wurde von RustyCohle am 25. Aug. 2017 editiert.]

[Diese Nachricht wurde von RustyCohle am 25. Aug. 2017 editiert.]

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T47-11
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Beiträge: 1
Registriert: 02.04.2019

erstellt am: 02. Apr. 2019 06:48    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für RustyCohle 10 Unities + Antwort hilfreich

Hallo,

es ist zwar zeitlich etwas her, aber gab es eine lösung für Dein Problem?

Ich wollte eine ähnliche Aufgabenstellung bearbeiten.

Danke für Deine Hilfe!

Beste Grüße,
T47

------------------
Consistent

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