Der Fakultät für Maschinenwesen der Universität GH Essen

Präsentation zum Thema: "Der Fakultät für Maschinenwesen der Universität GH Essen"—  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 Erstes bekanntes Absperrorgan der Welt
bereits im alten Ägypten bekannt.

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

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

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

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

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

8 Messung der s/e Kurve

9 Messung Dichtigkeit / Eindringtiefe

10 10.Drehmomentprüfstand .

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

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

13 FEM - Berechnung Inkrement 80 und History Plot

14 Vergleich FEM / Experiment

15 15.Vergleich FEM / Experiment

16 KLAPPENAUSLEGUNG Betriebsdruck 16 bar DN 200

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

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

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

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

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

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

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

24 Dichtigkeitswerte

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

26 Empfindlichkeit 0,143 mm Toleranz: + 0,350 mm Schnittpunkt bei
Härte Drehmoment (Nm) Min Max. 80°Sh , ,35 70°Sh , ,67 Schnittpunkt bei 0,143 mm 0,143

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

28 Anwendung in der Serie Jeweils ca Klappen geprüft (Jahresproduktion) Vor der Optimierung 20% der Klappen über dem zulässigen Wert 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 von DN 5 bis DN 4000 mm bis 400 bar Betriebsdruck
von -196°C bis 950°C

31 ELASTOMER Stark nichtlinear inkompressibel viskoelastisch
Zeit- und Temperaturabhängigkeit

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

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

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

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

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

37 Vergleich FEM und Experiment

38 Elastomer: 70° Shore EPDM 6 mm stark
Messungen Elastomer: 70° Shore EPDM 6 mm stark

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

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

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

42 FEM Berechnung Inkrement 10 und 40 von 160

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

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

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

46 Verteilung Bildung der Differenzfunktion DDr Nullpunkt bei 0,143 mm

47 DD = Druck / Drehmoment