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FSI hilft bei unerwünschter Schwingungsübertragung bei Plansichtern in Mühlen

Fluid-Struktur-Kopplungsanalyse (FSI) mit ANSYS

Branche: Maschinen- und AnlagenbauFachgebiet: Strukturmechanik, Akustik

Die schweizerische Bühler AG bietet innovative Lösungen für die Lebensmittel- und Futtermittelindustrie sowie für Hightech-Materialien. Bei Plansichtern für Mühlen sollen mit Hilfe von CADFEM per Simulation die Übertragungsmechanismen der tieffrequenten Siebvibrationen auf die Glasfenster und Türen der Maschinenhalle identifiziert und Gegenmaßnahmen zur Schwingungsreduktion vorgeschlagen werden.

Zusammenfassung

Aufgabe

Die Herausforderung besteht darin, den Übertragungsweg der Siebschwingungen auf die akustischen Hohlraumschwingungen der Maschinenhalle und von diesen auf die großflächigen Glasscheiben des Raums mittels FEM zu quantifizieren und Maßnahmen zur Schwingungsreduktion zu erarbeiten.

Lösung

Die ANSYS FSI Analyse berücksichtigt dabei simultan die Freiheitsgrade des Schalldrucks und der mechanischen Verschiebung im Sinne einer starken Kopplung. Dies erlaubt die akustische Anregung des Innenraums der Maschinenhalle durch die tieffrequenten Siebbewegungen der Plansichter. Diese akustischen Hohlraumvibrationen regen im Rahmen der gleichen Frequenzganganalyse wiederum Strukturschwingungen an, die sich insbesondere auf große und verhältnismäßig dünne Begrenzungsflächen wie etwa die Glasfronten in beträchtlichem Maße auswirken können.

Kundennutzen

Mit Hilfe der Modellierung der starken Wechselwirkung zwischen Akustik und Strukturmechanik kann mit Ansys Mechanical der physikalische Hintergrund dieses unerwünschten Übertragungsmechanismus offengelegt werden. Die Identifikation maßgeblicher Parameter erlaubt die Erarbeitung geeigneter Gegenmaßnahmen mit dem Ziel die Schwingungsamplituden der Glasfronten deutlich zu reduzieren.

Projektdetails

Aufgabe

Ein Plansichter ist eine Maschine, mit der granulare Medien für die Lebensmittelindustrie durch oszillierende Bewegungen gesiebt und geschichtet und so nach Größe separiert werden. Diese niederfrequenten Siebewegungen der Sichtergehäuse mit nennenswerter Amplitude stehen im Verdacht, große Schwingungsamplituden in Glasfenstern und Türen der Maschinenhalle zu erzeugen. Die Aufgabe besteht darin, den potenziellen Transfermechanismus mittels FEM zu identifizieren und Maßnahmen zur Schwingungsreduzierung zu ergreifen.


Nutzen für den Kunden

Auf der Grundlage dieses Modells können die Entwickler den Einfluss unterschiedlichster Parameter prüfen, wie z. B.

  • Hinzufügen von schalldämpfenden Absorptionsmaterialien an den Wänden,
  • Einziehen einer weiteren Raumwand in der Maschinenhalle zur Erhöhung der ersten akustischen Eigenfrequenz auf einen Bereich außerhalb des Anregungsspektrums,
  • Möglichkeiten veränderter Anregungsfrequenzen der Plansichterschwingungen,
  • Prüfung ob eine gezielte Verschiebung des Phassenwinkels der drei Siebschwingungen zueinander positive Auswirkungen hat.

Auf diese Weise können bereits mit einem einfachen Simulationsmodell der physikalische Hintergrund des Problems anschaulich nachvollzogen und die maßgeblichen Parameter der Schwingungsübertragung identifiziert werden. Ohne teure Experimente können so vielversprechende Gegenmaßnahmen zur Schwingungsreduktion erarbeitet werden.


Lösung

Zuerst wird ein Finite-Elemente-Netz für den akustischen Raum der Maschinenhalle generiert. Die drei quaderförmigen Aussparungen im Netz stellen für die idealisierte Geometrie der Plansichtergehäuse dar. Zunächst wird eine akustische Modalanalyse unter der Annahme von starren Raumwänden durchgeführt. Als Ergebnis erhält man die erste akustische Resonanzfrequenz des Innenraums sowie die zugehörige Eigenform des Schalldrucks. Wie aus analytischen Überlegungen zu erwarten ist, bestätigt die Analyse die typische Halbwellenresonanz für einen rechteckigen Hohlraum. Aus der Modalanalyse lassen sich jedoch noch keine Amplitudeninformationen ablesen. Zur Berechnung der Schwingungsamplituden an den großen elastischen Glasfronten der Maschinenhalle wird eine Frequenzganganalyse durchgeführt. Diese berücksichtigt die Fluid-Struktur-Wechselwirkung an den Plansichterwänden und an den Glasfenstern. Die ANSYS Akustikelemente berücksichtigen sowohl die Druck- als auch die Verschiebungsfreiheitsgrade und erlauben auf diesem Weg die Anregung des akustischen Innenraums der Maschinenhalle durch die vorgegebenen Siebbewegungen. Die Schwingungen der Luft im Raum führen ihrerseits zu Strukturschwingungen der großen Glasfronten, deren Amplitudenverteilung im Bild dargestellt ist.


Bereichsleiter Professional Development
Dr.-Ing. Marold Moosrainer

Produkt-Anwendungen im Projekt