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gefördert durch:
ForschungsvereinigungStahlanwendung e.V
Zusammenführung von direkter und inverserModellierung
Projekt G5: Beschreibung komplexer Vorgänge im Lichtbogen durch die Kopplung von inverser und direkter Modellierung und Visualisierung der physikalischen Zusammenhänge
U. Füssel, S. Rose, M. Schnick: TU Dresden, IOF, Professur Fügetechnik und Montage
J. Kruscha, K. Schlodder, M. Tempelhagen, F. Wagner: Hochschule Lausitz, IIM
25.02.2010 Senftenberg
2
Zielstellung und Vorgehensweise
• Relevante Messgrößen sind identifiziert und werden erfasst• Explorative Datenanalyse abgeschlossen
Þ Transiente Simulation und Interpretation der erkannten Zusammenhänge
3
Gliederung
1. Numerisches Modell
2. Zusammenführung Metalldampfrandbedingungen Eingangsdaten aus Experimenten Simulationsergebnisse Mustervergleich
3. Zusammenführung Geometrierandbedingungen Geometrieauswertungen Simulationsergebnisse Mustervergleich
4. Ausblick
4
1. Numerisches Modell
Strömungslöser ANSYS CFX
Einfaches Lichtbogenmodell ohne Fallgebiete
Definieren der Metalldampfquelle an der Drahtunterseite
Metalldampfeigenschaften von Murphy (CSIRO)
Zweigleichungs-Turbulenzmodell (SST-Modell CFX-Standard)
Erprobtes Diffusionsmodell
Interface-Tracking
Ele
ktro
de
5
2. Metalldampf – Metalldampfquelle
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01
Zeit / s
Em
iss
ion
Variante 1
Verdampfung direktproportional zur gemessenenVolumenstrahlung
Eingangsdaten für Definition der Metalldampfquelle
Metalldampf
0
100
200
300
400
500
0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01
Zeit / s
Str
om
stä
rke
/ A Variante 2
Verdampfung direktproportional zur Stromstärke
Stromstärke
6
2. Metalldampf – Metalldampfquelle
Eingangsdaten für Definition der Metalldampfquelle
Variante 1proportional zum Vol-Int (Strahlung)
Variante 2direkt proportional zur Stromstärke
7
5
10
15
20
25
30
0 100 200 300 400 500
Stromstärke / A
Sp
an
nu
ng
/ V
Variante 1 - Strom
Experiment
5
10
15
20
25
30
0 100 200 300 400 500
Stromstärke / A
Sp
an
nu
ng
/ V
Variante 2 - Diode
Experiment
5
10
15
20
25
30
0 100 200 300 400 500
Stromstärke / A
Sp
an
nu
ng
/ V
Variante 1 - Diode
Variante 2 - Strom
Experiment
2. Metalldampf – Mustervergleich
Up-slope
Down-slope
Phasenraum U-I zeigt ausgeprägten Hystereseeffekt zwischen Up-slope und Down-slope
8
5
10
15
20
25
30
0 100 200 300 400 500
Stromstärke / A
Sp
an
nu
ng
/ V
Variante 1 - Diode
Experiment
2. Metalldampf – Mustervergleich
Up-slope
Down-slope
Charakteristischer Verlauf im Phasenraum U-I stimmt bei Kopplung der Verdampfung an gemessenen Volumenstrahlung nicht überein
9
5
10
15
20
25
30
0 100 200 300 400 500
Stromstärke / A
Sp
an
nu
ng
/ V
Variante 2 - Strom
Experiment
2. Metalldampf – Mustervergleich
Charakteristischer Verlauf im Phasenraum U-I stimmt bei Kopplung der Verdampfung an gemessenen Volumenstrahlung sehr gut überein
Up-slope
Down-slope
10
2. Metalldampf – Mustervergleich
Zwischenzusammenfassung
1. Verläufe stimmen in ihrer Charakteristik gut übereinÞ Lichtbogensäule und Metalldampfeinfluss sehr gut abgebildet
2. Spannung in Simulation im Mittel 11 V geringerÞ Differenz entspricht etwa prognostizierten Schichtspannungen
11
1 % 3 % 5 %
• Höhere Verdampfungen senken Temperaturen im Lichtbogen• Höhere Verdampfungen verschieben Temperaturmaximum nach außen
Þ Bessere Übereinstimmungen in Ort und Wert der Maximaltemperatur bei hohen Verdampfungsraten (Vortrag M. Hertel)
2. Metalldampf – Metalldampfmenge
12
1. Übereinstimmung im charakteristischer Up-slope- / Down-slope-Verlauf wird mit steigender Verdampfungmenge schlechter 2. Zeitliche Änderung im Temperaturprofile über dem Puls stimmt noch nicht mit Messwerten des INP (G1) übereinÞ Vergleich Vortrag M. Hertel
2. Metalldampf – Mustervergleich
5
10
15
20
25
30
0 100 200 300 400 500
Stromstärke / A
Sp
an
nu
ng
/ V
1 Prozent
3 Prozent
5 Prozent
Experiment
13
Zwischenzusammenfassung1. Übereinstimmung der Temperaturen mit 5 % am besten2. Übereinstimmung des Hystereseverlaufs mit 1 % am besten3. Zeitliche Entwicklung derzeit noch nicht adäquat abgebildetÞ Nächster Schritt: Weiterentwicklung Verdampfungsmodell
2. Metalldampf – Mustervergleich
5
10
15
20
25
30
0 100 200 300 400 500
Stromstärke / A
Sp
an
nu
ng
/ V
1 Prozent
3 Prozent
5 Prozent
Experiment
14
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Me-Emission
Ar-
Em
iss
ion
2. Metalldampf – Weiterentwicklung
Weiterentwicklung einer ortsaufgelöste Messung
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Me-Emission
Ar-
Em
iss
ion
1%
3%
SimulationExperiment
Variante 1 - Diode Variante 2 - Strom
0
100
200
300
400
500
0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01
Zeit / s
Str
om
stä
rke
/ A
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 0,008 0,009 0,01
Zeit / s
Em
iss
ion
15
2. Metalldampf – Weiterentwicklung
Weiterentwicklung einer ortsaufgelöste Messung
Metalldampf Stromstärke
+
16
Gliederung
1. Numerisches Modell
2. Zusammenführung Metalldampfrandbedingungen Messtechnik Simulationsergebnisse Mustervergleich
3. Zusammenführung Geometrierandbedingungen Geometrieauswertungen Simulationsergebnisse Mustervergleich
4. Ausblick
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3. Geometrie – Randbedingung
Interface-Tracking
Geometrieerkennung
18
Ohne Drahtvorschub (1 %) Mit Drahtvorschub (1 %)
3. Geometrie – Simulationsergebnisse
19
Ohne Drahtvorschub Mit Drahtvorschub
3. Geometrie – Simulationsergebnisse
1. Spannung sinkt aufgrund der kürzeren Lichtbogenlänge – sichtbar v. a. im Down-slope-BereichÞ sehr gute Übereinstimmung mit experimentellen Werten
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3. Geometrie – Mustervergleich
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0 100 200 300 400 500
Stromstärke / A
Sp
ann
un
g /
V
1% mit Vorschub
1% ohne Vorschub
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Nächste Schritte:1. Änderung der Lichtbogenlängen (Spannungskorrektur)2. Änderung der Tropfengeometrie (Einschnürung)
3. Geometrie – Mustervergleich
6
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0 100 200 300 400 500
Stromstärke / A
Sp
ann
un
g /
V
1% mit Vorschub
1% ohne Vorschub
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Muster: - automatisierte Geometrieauswertung zur statistischen Absicherung- Verteilung des Metalldampfes
Explorative Datenanalyse Numerische Simulation
4. Ausblick
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Muster
Validierung
Explorative Datenanalyse Numerische Simulation
4. Ausblick
Muster: - automatisierte Geometrieauswertung- Verteilung des Metalldampfes
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit