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Nichtlineare FEM - Berechnung zur Drehmomentoptimierung beim Betätigen von Absperrklappen

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Nichtlineare FEM - Berechnung zur Drehmomentoptimierung beim Betätigen von Absperrklappen. Der Fakultät für Maschinenwesen der Universität GH Essen vorgelegte Dissertation von Gregor Gaida. Absperrklappen. Erstes bekanntes Absperrorgan der Welt bereits im alten Ägypten bekannt.

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Presentation Transcript
nichtlineare fem berechnung zur drehmomentoptimierung beim bet tigen von absperrklappen

Nichtlineare FEM - BerechnungzurDrehmomentoptimierungbeim Betätigen vonAbsperrklappen

Der Fakultät für Maschinenwesen der

Universität GH Essen

vorgelegte Dissertation

von Gregor Gaida

absperrklappen
Absperrklappen
  • Erstes bekanntes Absperrorgan der Welt
  • bereits im alten Ägypten bekannt.
weichdichtende klappen
Weichdichtende Klappen
  • Dichtung aus Elastomer
  • Bis 16 bar
  • Umsatz in D: 1-2 Mrd. DM
  • extremer Preiskampf.
automatisierung
Automatisierung
  • Anteil automatisierter Klappen mittlerweile ca. 50%
  • Antriebswert höher als Klappenwert
  • Paketpreis hängt vom Betätigungsmoment ab.
5 ziel drehmomentoptimierung
5.Ziel: Drehmomentoptimierung
  • Forderungen:
  • Keine Einbußen bei der Dichtigkeit
  • Keine Herstellkostenerhöhung
  • Keine Änderung der chemischen Struktur des Elastomers
  • Keine Verschleißerhöhung.
konstruktive m glichkeiten
Konstruktive Möglichkeiten
  • Härte des Elastomers
  • Dicke des Elastomers
  • Eindringtiefe der Scheibe in den Elastomer
  • Außenkontur der Scheibe
  • Breite der Scheibenkante.
elastomere und scheiben
Elastomere und Scheiben
  • EPDM 60°, 70°, 80° Shore Härte A
  • Elastomerdicken: 2, 4, 6 mm
  • Scheibenkonturen mit Radius und Fase.
ergebnisse der experimente
Ergebnisse der Experimente
  • Kraft, bzw. Drehmoment = Funktion des „verdrängten“ Volumens
  • Härte des Elastomers / Dicke des Elastomers
  • Kurvenscharen bei jeder Kombination ähnlich.
fem modell drehmoment
FEM - Modell Drehmoment
  • Mooney - Rivlin 2. Ordnung
  • Kontaktberechnung, Reibwert m = 1
fem berechnung
FEM - Berechnung
  • Inkrement 80 und History Plot
klappenauslegung

KLAPPENAUSLEGUNG

Betriebsdruck 16 bar

DN 200

toleranzen
Toleranzen

(Auswahl)

  • Gehäuseinnendurchmesser
  • Gehäuserundlauf
  • Scheibenaußendurchmesser
  • Scheibenrundlauf
  • Elastomerinnendurchmesser
  • Elastomerrundlauf
  • S =0,73 mm.
wahrscheinlichkeitsbetrachtung
Wahrscheinlichkeitsbetrachtung
  • Jedes Teil mit zulässigem Ausschuß von 1 %
  • Annahme, daß jede Toleranz gleich oft zum Ausschuß führt
  • Beispiel Elastomerdicke: Verteilung der Teile
toleranzverteilung
Toleranzverteilung
  • Summe aller Toleranzen mit der jeweiligen Wahrscheinlichkeit
  • Streuung der Eindringtiefe um den Nennwert
20 streuung der eindringtiefe
20.Streuung der Eindringtiefe
  • Funktion = Betrag der Streuung integriert
streuung der eindringtiefe
Streuung der Eindringtiefe

99,5%

  • Zuläßiger Ausschuß aller Klappen = 0,5 %

0,175mm

festlegung elastomerdicke
Festlegung Elastomerdicke
  • Gesamtstreuung beträgt: +/- 0,175 mm
  • Toleranz der Eindringtiefe: + 0,35 mm
  • Elastomerdicke 6 mm.
scheibenkontur
Scheibenkontur
  • Bearbeitung
  • Polieren
  • Empfindlichkeit auf Beschädigung
  • Scheibe: 0,8 F 45°.
25 mindesteindringtiefe

80° Shore = 0,325 mm

25.Mindesteindringtiefe

70° Shore = 0,594 mm

17,6 bar

0,325 mm

0,594 mm

empfindlichkeit
Empfindlichkeit
  • Toleranz: + 0,350 mm

Härte Drehmoment (Nm)

Min. Max.

80°Sh. 14,43 29,35

70°Sh. 17,13 25,67

  • Schnittpunkt bei

0,143 mm

0,143

optimale kombination
Optimale Kombination
  • Integral über die Serienstreuung der Eindringtiefe:
  • Alternativen:
  • Aussortieren (bedingt 100% Prüfung)
  • Unempfindliche Kombination
anwendung in der serie
Anwendung in der Serie
  • Jeweils ca. 6500 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

nichtlineare fem berechnung zur drehmomentoptimierung beim bet tigen von absperrklappen29

Nichtlineare FEM - BerechnungzurDrehmomentoptimierungbeim Betätigen vonAbsperrklappen

Der Fakultät für Maschinenwesen der

Universität GH Essen

vorgelegte Dissertation

von Gregor Gaida

ENDE

moderne klappen
Moderne Klappen
  • von DN 5 bis DN 4000 mm
  • bis 400 bar Betriebsdruck
  • von -196°C bis 950°C
elastomer
ELASTOMER
  • Stark nichtlinear
  • inkompressibel
  • viskoelastisch
  • Zeit- und Temperaturabhängigkeit
materialmodelle elastomer
Materialmodelle Elastomer
  • Mooney - Rivlin
  • Yeoh
  • Valanis Landell
  • Ogden´s Theorie
  • Gauss Theorie (von Kuhn).
fem modell f r einpressung
FEM - Modell für Einpressung
  • Prüfung des Materialgesetzes
  • Vergleich mit experimenteller Einpressung.
modellbildung mit fem
Modellbildung mit FEM
  • Starre Scheibe
  • Feste Gummieinspannung
  • Geometrisch nichtlinear
  • Material nichtlinear
  • IDEAS : modified Newton Raphson
  • MARC : full Newton Raphson
gew hltes materialgesetz
Gewähltes Materialgesetz
  • Mooney - Rivlin 2. Ordnung
  • Empirisch ermittelte s-e Werte bis 80% Dehnung wurden benutzt
  • Geometrisch nichtlinear
  • Material nichtlinear
  • Newton Raphson Verfahren
vergleich fem experiment36
Vergleich FEM / Experiment
  • Berechnung der Kraft / Weg Kurve mit FEM
  • Messung der Kraft / Weg Kurve mit Hilfe der Meßmaschine.
messungen

Messungen

Elastomer:

70° Shore

EPDM

6 mm stark

werteerfassung
Werteerfassung
  • DMS Drehmomentaufnehmer
  • Wheatstone Auswertung
  • Drehwinkelaufnehmer
  • 16 bit A/D Wandler
  • PC - Auswertung
  • Schleppzeigerfunktion
elastomerreibung abh ngigkeit von folgenden parametern
Elastomerreibung Abhängigkeit von folgenden Parametern:
  • Temperatur
  • Gleitgeschwindigkeit
  • Größe der Berührungsfläche
  • Aufbau des Elastomers
  • Einwirkungsdauer
reibwert f r fem
Unter den Versuchsbedingungen unabhängig von folgenden Parametern:

Gleitgeschwindigkeit

Elastomerrauheit

Metallrauheit

Temperatur

Flächenpressung

Der Reibwert gem. Coulomb´scher Reibgesetze m = 1.

Reibwert für FEM
fem berechnung42
FEM Berechnung
  • Inkrement 10 und 40 von 160
flu diagramm
Flußdiagramm
  • Betriebsdruck
  • Toleranzen
  • Ausschußbetrachtung
  • Scheibenkontur
  • Breite der Scheibenaußenkante
  • Mögliche Elastomerdicke und Härte
  • Empfindlichkeit auf Fertigungstoleranzen
  • OPTIMUM
drehmomentkurven
Drehmomentkurven
  • Bildung polynomischer Funktionen: Drehmoment = f( Eindringtiefe v)

Dr( 80° Shore) = 7,99v3 - 10,79v2 + 47,18v - 0,03

Dr(70° Shore) = 11,29v3 - 21,61v2 + 37,25v + 0,26

  • Ableitung:

D‘rN( 80° Shore) = 23,97 vs2 - 21,58 vs + 47,18

D‘rN(70° Shore) = 33,87 vs2 - 43,22 vs + 37,25

  • Im untersuchten Bereich gilt: Steigung 80° Shore > Steigung 70° Shore
komplettklappen versuch
Komplettklappen - Versuch

Drehmoment (Nm)

  • Identischer Außendurchmesser der Scheiben
  • 8 verschiedene Konturen
  • Jedes Gehäuse mit jeder Scheibe
  • Ohne negativen Einfluß auf Dichtigkeit.
verteilung
Verteilung
  • Bildung der Differenzfunktion DDr
  • Nullpunkt bei

0,143 mm

0,143 mm