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Thermo-mechanische Lebensdaueranalyse einer Tragestruktur
Aufgrund hoher thermischer Masse der Industrieöfen von EBNER und auftretender Temperatursprünge werden transiente Temperaturfeldanalysen durchgeführt.

Thermo-mechanische Lebensdaueranalyse einer Tragestruktur unter Temperatureinfluss

Branche: Maschinen- und Anlagenbau, Stahl- und MetallerzeugungFachgebiet: Temperaturfelder, Strukturmechanik

Die Öfen der Firma EBNER Industrieofenbau werden unter anderem zur Wärmebehandlung von Metallhalbzeugen (Stahldraht, -band, -platinen) entwickelt. Um die Lebensdauer aufgrund der komplexen thermo-mechanischen Belastung vor der Herstellung eines realen Prototyps zu bewerten, wurden Simulationen unter Berücksichtigung von Kriechvorgängen durchgeführt.

Zusammenfassung

Aufgabe

Die Tragestrukturen zur Aufnahme der Halbzeuge in den Ofenanlagen sind den hohen Temperaturen ausgesetzt, so dass Kriechvorgänge mit plastischen Verformungen auftreten können. Um die Lebensdauer aufgrund der komplexen thermo-mechanischen Belastung vor der Herstellung eines realen Prototyps bewerten zu können, wurde Ansys Mechanical eingesetzt.

Lösung

Grundlage bei der Lösung dieser Problemstellung waren die in Ansys Workbench implementierten Möglichkeiten zur Berücksichtigung der Kriechvorgänge sowie die Definition von temperaturabhängigen Materialeigenschaften, aber auch die einfachen Kopplungsmöglichkeiten. Dadurch lassen sich bei der Entwicklung der Industrieöfen Kosten und Zeit einsparen.

Kundennutzen

Grundlage bei der Lösung dieser Problemstellung waren die in Ansys Workbench implementierten Möglichkeiten zur Berücksichtigung der Kriechvorgänge sowie die Definition von temperaturabhängigen Materialeigenschaften, aber auch die einfachen Kopplungsmöglichkeiten. Dadurch lassen sich bei der Entwicklung der Industrieöfen Kosten und Zeit einsparen.

Projekt Details

Aufgabenstellung

Auch die Tragestrukturen zur Aufnahme der Halbzeuge in den Ofenanlagen sind den hohen Temperaturen ausgesetzt. In der Folge können Kriechvorgänge auftreten. Diese plastischen (irreversiblen) Verformungen haben großen Einfluss auf die Lebensdauer der Tragestrukturen, speziell bei umfangreichen Wärmebehandlungsprozessen mit hohen Temperaturunterschieden, die mehrstündige zyklische Aufheiz- und Abkühlprozesse umfassen.

Um die Lebensdauer aufgrund der komplexen thermo-mechanischen Belastung vor der Herstellung eines realen Prototyps bewerten zu können, wurde Ansys Mechanical eingesetzt. Ziel der Berechnungen war es, den zyklischen thermo-mechanischen Einfluss auf die Lebensdauer der Tragestruktur anhand der auftretenden Kriechvorgänge zu ermitteln.


Nutzen für den Kunden

Die implementierten Möglichkeiten zur Berücksichtigung der Kriechvorgänge sowie die Definition von temperaturabhängigen Materialeigenschaften und auch die einfachen Kopplungsmöglichkeiten in Ansys Workbench bilden die Grundlage bei der Lösung dieser Problemstellung. Dadurch ergeben sich erhebliche Kosten- und Zeiteinsparungen bei der Entwicklung der Wärmebehandlungsöfen. Dazu zählt nicht nur die reduzierte Anzahl von erforderlichen Prototypen, sondern auch die Minimierung der notwendigen Testdurchläufe. Werden die Simulationsmodelle durch Versuche validiert und verfeinert, kann das Vertrauen in die Ergebnisse kontinuierlich wachsen. Darüber hinaus verdeutlicht ein Simulationsmodell potenzielle Problemzonen aufgrund des Wechselspiels zwischen hohen Temperaturgradienten, Kriecheffekten und Reibungskontakten. Das dadurch erworbene Wissen über das Verhalten der Tragstrukturen im Ofen ist eine wichtige Grundlage bei der Entwicklung zukünftiger Anlagen und damit ein entscheidender Wettbewerbsvorteil.


Lösung

Die Berechnung in Ansys Mechanical erfolgte über eine Einwege-Kopplung einer Temperaturfeld- und einer Strukturanalyse, wobei drei volle thermische Zyklen (Aufheiz- und Abkühlprozesse) berücksichtigt wurden.

Aufgrund der hohen thermischen Masse des Systems und der auftretenden Temperatursprünge wurde die Temperaturfeldanalyse transient durchgeführt (siehe Bild 2). Dabei werden auch die zeitlichen Veränderungen der Zustandsgrößen beachtet. Eine aus Erfahrungswerten generierte Temperaturkurve diente als Energieeintrag auf die Tragestruktur und die Halbzeuge. Thermische Materialeigenschaften wurden als Funktion der Temperatur angegeben – die Temperatursprünge sorgen für stark schwankende Eigenschaften.

Die daraus resultierenden inhomogenen Temperaturfelder wurden im zweiten Schritt über Mappingverfahren in die statische Strukturanalyse übertragen. Der Übertrag erfolgt in mehreren Lastschritten gezielt an Zeitpunkten kritischer thermischer Gradienten. Neben den temperaturabhängigen Steifigkeitseigenschaften wurde auch ein Kriechgesetz zur Abbildung sekundärer Kriecheffekte anhand bekannter Kriech- und Bruchversuche definiert.

Die in Bild 3 gezeigte kumulierte Kriechdehnung über alle drei Lastzyklen wurde nun vergleichend mit der kritischen Kriechdehnung gegenübergestellt. Abgeleitet daraus konnte eine maximale Anzahl an Zyklen errechnet werden.

Bilder: © EBNER


Leiter Technik Österreich

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