Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Nichtlineare FEM - Berechnung zur Drehmomentoptimierung beim Betätigen von Absperrklappen Der Fakultät für Maschinenwesen der Universität GH Essen vorgelegte.

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "Nichtlineare FEM - Berechnung zur Drehmomentoptimierung beim Betätigen von Absperrklappen Der Fakultät für Maschinenwesen der Universität GH Essen vorgelegte."—  Präsentation transkript:

1 Nichtlineare FEM - Berechnung zur Drehmomentoptimierung beim Betätigen von Absperrklappen Der Fakultät für Maschinenwesen der Universität GH Essen vorgelegte Dissertation von Gregor Gaida

2 Absperrklappen n Erstes bekanntes Absperrorgan der Welt n bereits im alten Ägypten bekannt.

3 Weichdichtende Klappen n Dichtung aus Elastomer n Bis 16 bar n Umsatz in D: 1-2 Mrd. DM n extremer Preiskampf.

4 Automatisierung n Anteil automatisierter Klappen mittlerweile ca. 50% n Antriebswert höher als Klappenwert n Paketpreis hängt vom Betätigungsmoment ab.

5 5. Ziel: Drehmomentoptimierung n Forderungen: n Keine Einbußen bei der Dichtigkeit n Keine Herstellkostenerhöhung n Keine Änderung der chemischen Struktur des Elastomers n Keine Verschleißerhöhung.

6 Konstruktive Möglichkeiten n Härte des Elastomers n Dicke des Elastomers n Eindringtiefe der Scheibe in den Elastomer n Außenkontur der Scheibe n Breite der Scheibenkante.

7 Elastomere und Scheiben n EPDM 60°, 70°, 80° Shore Härte A n Elastomerdicken: 2, 4, 6 mm n Scheibenkonturen mit Radius und Fase.

8 Messung der s/e Kurve

9 Messung Dichtigkeit / Eindringtiefe

10 10. Drehmomentprüfstand.

11 Ergebnisse der Experimente n Kraft, bzw. Drehmoment = Funktion des verdrängten Volumens n Härte des Elastomers / Dicke des Elastomers n Kurvenscharen bei jeder Kombination ähnlich.

12 FEM - Modell Drehmoment n Mooney - Rivlin 2. Ordnung Kontaktberechnung, Reibwert m = 1 Kontaktberechnung, Reibwert m = 1

13 FEM - Berechnung n Inkrement 80 und History Plot

14 Vergleich FEM / Experiment

15 15. Vergleich FEM / Experiment

16 KLAPPENAUSLEGUNG Betriebsdruck 16 bar Betriebsdruck 16 bar DN 200

17 Toleranzen n Gehäuseinnendurchmesser n Gehäuserundlauf n Scheibenaußendurchmesser n Scheibenrundlauf n Elastomerinnendurchmesser n Elastomerrundlauf S = 0,73 mm. S = 0,73 mm. (Auswahl)

18 Wahrscheinlichkeitsbetrachtung n Jedes Teil mit zulässigem Ausschuß von 1 % n Annahme, daß jede Toleranz gleich oft zum Ausschuß führt n Beispiel Elastomerdicke: Verteilung der Teile

19 Toleranzverteilung n Summe aller Toleranzen mit der jeweiligen Wahrscheinlichkeit n Streuung der Eindringtiefe um den Nennwert

20 20. Streuung der Eindringtiefe n Funktion = Betrag der Streuung integriert

21 Streuung der Eindringtiefe n Zuläßiger Ausschuß aller Klappen = 0,5 % 99,5% 0,175mm

22 Festlegung Elastomerdicke n Gesamtstreuung beträgt: +/- 0,175 mm n Toleranz der Eindringtiefe: + 0,35 mm n Elastomerdicke 6 mm.

23 Scheibenkontur n Bearbeitung n Polieren n Empfindlichkeit auf Beschädigung n Scheibe: 0,8 F 45°.

24 Dichtigkeitswerte

25 25. Mindesteindringtiefe 17,6 bar 80° Shore = 0,325 mm 70° Shore = 0,594 mm 0,594 mm0,325 mm

26 Empfindlichkeit n Toleranz: + 0,350 mm Härte Drehmoment (Nm) Min. Max. 80°Sh. 14,43 29,35 70°Sh. 17,13 25,67 n Schnittpunkt bei 0,143 0,143 mm

27 Optimale Kombination n Integral über die Serienstreuung der Eindringtiefe: n Alternativen: n Aussortieren (bedingt 100% Prüfung) n Unempfindliche Kombination

28 Anwendung in der Serie n Jeweils ca Klappen geprüft (Jahresproduktion) n Vor der Optimierung 20% der Klappen über dem zulässigen Wert n Nach der Optimierung 3% der Klappen über dem zulässigen Wert G.GAIDA

29 Nichtlineare FEM - Berechnung zur Drehmomentoptimierung beim Betätigen von Absperrklappen Der Fakultät für Maschinenwesen der Universität GH Essen vorgelegte Dissertation von Gregor Gaida ENDE

30 Moderne Klappen n von DN 5 bis DN 4000 mm n bis 400 bar Betriebsdruck n von -196°C bis 950°C

31 ELASTOMER n Stark nichtlinear n inkompressibel n viskoelastisch n Zeit- und Temperaturabhängigkeit

32 Materialmodelle Elastomer n Mooney - Rivlin n Yeoh n Valanis Landell n Ogden´s Theorie n Gauss Theorie (von Kuhn).

33 FEM - Modell für Einpressung n Prüfung des Materialgesetzes n Vergleich mit experimenteller Einpressung.

34 Modellbildung mit FEM n Starre Scheibe n Feste Gummieinspannung n Geometrisch nichtlinear n Material nichtlinear n IDEAS : modified Newton Raphson n MARC : full Newton Raphson

35 Gewähltes Materialgesetz n Mooney - Rivlin 2. Ordnung Empirisch ermittelte s-e Werte bis 80% Dehnung wurden benutzt Empirisch ermittelte s-e Werte bis 80% Dehnung wurden benutzt n Geometrisch nichtlinear n Material nichtlinear n Newton Raphson Verfahren

36 Vergleich FEM / Experiment n Berechnung der Kraft / Weg Kurve mit FEM n Messung der Kraft / Weg Kurve mit Hilfe der Meßmaschine.

37 Vergleich FEM und Experiment

38 Messungen Elastomer: 70° Shore EPDM 6 mm stark

39 Werteerfassung n DMS Drehmomentaufnehmer n Wheatstone Auswertung n Drehwinkelaufnehmer n 16 bit A/D Wandler n PC - Auswertung n Schleppzeigerfunktion

40 Elastomerreibung Abhängigkeit von folgenden Parametern: n Temperatur n Gleitgeschwindigkeit n Größe der Berührungsfläche n Aufbau des Elastomers n Einwirkungsdauer

41 Reibwert für FEM n Unter den Versuchsbedingungen unabhängig von folgenden Parametern: n Gleitgeschwindigkeit n Elastomerrauheit n Metallrauheit n Temperatur n Flächenpressung Der Reibwert gem. Coulomb´scher Reibgesetze m = 1.

42 FEM Berechnung n Inkrement 10 und 40 von 160

43 Flußdiagramm n Betriebsdruck n Toleranzen n Ausschußbetrachtung n Scheibenkontur n Breite der Scheibenaußenkante n Mögliche Elastomerdicke und Härte n Empfindlichkeit auf Fertigungstoleranzen n OPTIMUM

44 Drehmomentkurven n Bildung polynomischer Funktionen: Drehmoment = f( Eindringtiefe v) Dr ( 80° Shore) = 7,99v ,79v ,18v - 0,03 Dr (70° Shore) = 11,29v ,61v ,25v + 0,26 n Ableitung: Dr N( 80° Shore) = 23,97 v s ,58 v s + 47,18 Dr N(70° Shore) = 33,87 v s ,22 v s + 37,25 n Im untersuchten Bereich gilt: Steigung 80° Shore > Steigung 70° Shore

45 Komplettklappen - Versuch n Identischer Außendurchmesser der Scheiben n 8 verschiedene Konturen n Jedes Gehäuse mit jeder Scheibe n Ohne negativen Einfluß auf Dichtigkeit. Drehmoment (Nm)

46 Verteilung Bildung der Differenzfunktion D Dr Bildung der Differenzfunktion D Dr n Nullpunkt bei 0,143 mm

47 D D = Druck / Drehmoment


Herunterladen ppt "Nichtlineare FEM - Berechnung zur Drehmomentoptimierung beim Betätigen von Absperrklappen Der Fakultät für Maschinenwesen der Universität GH Essen vorgelegte."

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen