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Die Kopplung der numerischen Strömungsmechanik, d.h. der Simulation von Massen-, Impuls- und Energietransport von Fluiden, mit anderen physikalischen Effekten gewinnt immer mehr an Bedeutung.
Neben der Fluid-Struktur-Interaktion ist dies im besonderen die Kopplung mit elektromagnetischen Effekten, zum Beispiel elektrischen Ladungen, magnetischen Dipolen, elektrischen und magnetischen Feldern, Strömen und Kräften.
Im allgemeinen werden die folgenden drei Gebiete unterschieden:
- Magneto-Hydrodynamik (MHD)
- Elektro-Hydrodynamik (EHD)
- Ferro-Hydrodynamik (FHD)
Dieser Workshop soll anhand von Schwerpunktthemen die Möglichkeiten aufzeigen und diskutieren, wie elektromagnetische Effekte in ANSYS CFX-Berechnungen integriert werden können.
Dieses Jahr war das Schwerpunktthema die Numerische Simulation von Schweiß- und Schneidprozessen:
Am 26. April 2005 trafen sich in Berlin 20 Fachleute, um über die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von gekoppelten Strömungs- und Elektromagnetiksimulationen in der Fügetechnik zu diskutieren.
Im Mittelpunkt des Workshops standen neueste Ergebnisse aus Simulationen in den Bereichen MSG-Schweißen (Impuls und Kurzlichtbogen), Plasmawerkzeuge und Autogen-Brennschneiden. Dabei wurden die Aspekte Kühlung, thermische Belastung des Festkörpers, Werkstoffübergang und Nahtbildung, Schutzgasabdeckung und auch die Wärmequelle Lichtbogen bzw. Gasflamme behandelt. Neben dem besseren Verständnis der physikalischen Vorgänge beim Schweißen war die Optimierung bestehender Schweißbrenner ein wichtiges Ziel. Simulationen müssen durch Messungen unterstützt werden; auf dem Workshop wurden die modernen Messverfahren PIV und Spektroskopie vorgestellt.
Folgende Einsatzmöglichkeiten wurden von den Vortragenden aufgezeigt:
ChopArc-Schweißprozesssimulation A.Spille-Kohoff von CFX Berlin zeigte Simulationsergebnisse aus dem abgeschlossenen BMBF-geförderten Verbundprojekt "ChopArc", in dem eine wärmearme MSG-Technologie entwickelt wurde. Diese überwindet durch prozessphasenabhängige Energiezufuhr und Lichtbogenunterbrechung bisher bestehende Grenzen beim MSG-Schweißen von Blechen ? 0,5 mm sowie beim MSG-Löten von verzinkten Stahlblechen und Stahl-Aluminium-Mischverbindungen für den Ultraleichtbau. Das erforderliche Prozessverständnis wurde durch Lichtbogenspektroskopie sowie Modellbildung und Simulation des ChopArc-Prozesses gewonnen. In der Simulation wurden hierzu die Kurzschlussphase mit dem Zusatzwerkstoffübergang und die Lichtbogenphase betrachtet, wobei neben Strömungsvorgängen und Wärmetransportprozessen die elektromagnetischen Effekte (u.a. Lorentzkraft und Widerstandserwärmung) berücksichtigt wurden. Die korrekte Modellierung der elektrodennahen Fallgebiete erwies sich als wesentlich, um die Messergebnisse zu reproduzieren.
Plasmaphysikalische Untersuchungen am Schweißlichtbogen E.Metzke vom Institut für Niedertemperatur-Plasmaphysik stellte Ergebnisse von plasmaphysikalischen Untersuchungen am MIG-Lichtbogen mit Kupferbasisdraht vor, mit denen im Rahmen des ChopArc-Projekts grundlegende Erkenntnisse über die Vorgänge im Schweißlichtbogen bei hohen Stromstärken gewonnen wurden. Hierzu wurden Messungen der elektrischen Parameter, Spektroskopie am Schweißlichtbogen zu unterschiedlichen Zeitpunkten eines Hochstromimpulses und Hochgeschwindigkeitsaufnahmen vom Schweißlichtbogen ohne und mit Interferenzfilter durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass unmittelbar nach Aufprägung des Stromimpulses nur Argon zu detektieren ist. Mit zunehmender Einwirkungszeit des Lichtbogens beginnt Kupfer zu verdampfen, und es bildet sich ein Mischlichtbogen mit einem Kern mit hoher Kupferdampfdichte und einer leuchtenden Aureole aus Argon, was zu einer deutlichen Abkühlung der Schwerteilchentemperatur in der Lichtbogensäule führt.
Simulation von Plasmawerkzeugen M.Schnick von der TU Dresden stellte Ergebnisse eines von der Stiftung Industrieforschung geförderten Projekts zur Simulation von Plasmawerkzeugen vor. Hierbei werden moderne Plasmaschweiß- und Plasmaschneidbrenner der Firmen TBi Industries, Castolin Eutectic und Kjellberg simuliert und hinsichtlich Schutzgasverbrauch, Standzeit und Schnittpräzision optimiert. Neben dem besseren Verständnis der angewendeten Prozesse ist hier die Optimierung von Elektrodenform und Schutz- und Plasmagaszuführung das wesentliche Ziel.
PIV-Messungen bei Lichtbogenprozessen J.Zschetzsche von der TU Dresden präsentierte Ergebnisse eines von der Stiftung Industrieforschung geförderten Projekts zur Strömungsmessung in Lichtbogen- und Plasmaprozessen mittels PIV. Hierbei werden kleinste Partikel in die Schutzgaszuführung gegeben, um durch Laser-Doppelbelichtung die lokalen Strömungsgeschwindigkeiten zu messen. Durch die Mittelung vieler Einzelmessungen wurden orts- und zeitaufgelöst mittlere Geschwindigkeiten und turbulente Größen bei brennendem Lichtbogen bestimmt. Parallel durchgeführte Simulationen zeigten eine gute Übereinstimmung.
Optimierung von Schutzgasabdeckung und Wasserkühlung eines MIG-Brenners Markus Speiseder von der BMW AG hat laufende Untersuchungen zur Optimierung von Schutzgasabdeckung und Wasserkühlung eines MIG-Brenners präsentiert. Hier steht neben dem besseren Verständnis des Schweißprozesses und des Einflusses der verschiedenen Parameter die Optimierung hinsichtlich Nacharbeit, Ausschuss, Standzeit und Fertigungssicherheit im Vordergrund. An einem in der Serienproduktion eingesetzten Brenner wurden zunächst die Teilbereiche Brennerkühlung und Schutzgasabdeckung einzeln untersucht, mit Messungen verglichen und durch Änderung von Geometrie, Schweißparametern, Randbedingungen und Regelalgorithmen optimiert. So konnte die Schmauchbildung aufgrund unzureichender Schutzgasabdeckung durch eine konstruktive Änderung in der Schutzgaszuführung im Laborbetrieb deutlich vermindert werden, wobei Messung und Simulation der Sauerstoffkonzentration im Nahtbereich (bei Konzentrationen um 1000 ppm) eine gute Übereinstimmung zeigten.
Strahlungs- und Turbulenzmodelle für SF6-Lichtbögen C.Lüders von der RWTH Aachen stellte seine Erfahrungen mit den Strahlungs- und Turbulenzmodellen für die Simulation von SF6-Lichtbögen in Hochspannungs-Selbstblasschaltern vor. Während einfache Turbulenzmodelle zu deutlichen Abweichungen zwischen Simulation und Messungen führten, konnte mittels des CFX-SST-Modells eine gute Übereinstimmung erreicht werden.
Simulation von Autogen-Brennschneiden Abschließend stellte A.Spille-Kohoff Simulationsergebnisse zum Autogen-Brennschneiden vor, bei dem ein vorgemischtes Acetylen-Sauerstoff-Flammgas um das Schneidgas Sauerstoff herum brennt. Mittels der Verbrennungsmodelle in Ansys CFX kann der Prozess einfach simuliert werden; neben der Simulation von Parametervariationen (Änderung von Gasmenge, Gaszusammensetzung, Geometrie) wurde auch die Einbeziehung der Brennerkopfkühlung vorgestellt.
Eine CD mit allen Vorträgen des Workshops ist zum Preis von EUR 30,00 (inkl. MwSt.) verfügbar. Bei Interesse kontaktieren Sie bitte Sebastian Vlach (sebastian.vlach@cfx-berlin.de oder Telefon +49 30 293 811 30).
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