TY - THES

T1 - Betriebslastmessung und Strukturoptimierung eines stationären Metallrecyclingsystems

AU - Richter, Wolfgang

N1 - gesperrt bis 28-09-2016

PY - 2011

Y1 - 2011

N2 - Eine beanspruchungs- und funktionsgerechte Konstruktion großer Strukturen stellt durch die oft unzureichend verfügbaren Informationen über die genauen Belastungen eine große Herausforderung dar. In der vorliegenden Arbeit wird anhand eines stationären Metallrecyclingsystems eine Methodik dargestellt, durch welche Bauteile und Anlagen des Schwermaschinenbaus mit Hilfe von experimentellen Lastanalysen und begleitenden numerischen Berechnungen hinsichtlich Gestalt und Eigengewicht optimiert werden können. Dadurch ist auch eine Abschätzung der Betriebslebensdauer möglich. Dabei wurden die im Betrieb auftretenden Strukturbelastungen mittels Dehnmessstreifen (DMS) an signifikanten Stellen gemessen. Zum Abgleich der DMS-Messdaten und als Eingang für die numerische Finite Elemente (FE) Struktursimulation wurden zusätzlich die wirkenden Betriebsdrücke in den Zylindern aufgezeichnet. Die Auswertung der Lastfälle ergibt einerseits die realen Belastungen der Anlage durch die Arbeitszylinder und die somit ins System eingebrachten Kräfte, als auch das für eine Betriebsfestigkeitsanalyse benötigte Lastkollektiv. Anhand dieser Datensätze wurden die lokalen Beanspruchungen im gesamten Modell, als auch in charakteristischen Baugruppen, mittels der FE-Software ABAQUS© ermittelt. Ein Abgleich der numerisch ermittelten mit den gemessenen Strukturspannungen lieferte eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse. In weiterer Folge wurde eine Lebensdauerbeurteilung unter Zuhilfenahme der Software FEMFAT© durchgeführt. Die iterative Strukturoptimierung der Rahmenkonstruktion erfolgte durch gesteuertes Deaktivieren von Elementen (Soft Kill Option-Methode) mittels der Software TOSCA©. Der vorgegebene Optimierungsraum wird beispielhaft an einer ausgewählten Strukturkomponente auf minimales Gewicht bei maximaler Steifigkeit berechnet. Bei gleicher numerisch ermittelter Lebensdauer wurde somit durch die in dieser Arbeit vorgestellte Optimierungsmethodik eine Gewichtsreduktion der optimierten Konstruktionsvariante von bis zu 40% gegenüber der Ausgangsversion erzielt.

AB - Eine beanspruchungs- und funktionsgerechte Konstruktion großer Strukturen stellt durch die oft unzureichend verfügbaren Informationen über die genauen Belastungen eine große Herausforderung dar. In der vorliegenden Arbeit wird anhand eines stationären Metallrecyclingsystems eine Methodik dargestellt, durch welche Bauteile und Anlagen des Schwermaschinenbaus mit Hilfe von experimentellen Lastanalysen und begleitenden numerischen Berechnungen hinsichtlich Gestalt und Eigengewicht optimiert werden können. Dadurch ist auch eine Abschätzung der Betriebslebensdauer möglich. Dabei wurden die im Betrieb auftretenden Strukturbelastungen mittels Dehnmessstreifen (DMS) an signifikanten Stellen gemessen. Zum Abgleich der DMS-Messdaten und als Eingang für die numerische Finite Elemente (FE) Struktursimulation wurden zusätzlich die wirkenden Betriebsdrücke in den Zylindern aufgezeichnet. Die Auswertung der Lastfälle ergibt einerseits die realen Belastungen der Anlage durch die Arbeitszylinder und die somit ins System eingebrachten Kräfte, als auch das für eine Betriebsfestigkeitsanalyse benötigte Lastkollektiv. Anhand dieser Datensätze wurden die lokalen Beanspruchungen im gesamten Modell, als auch in charakteristischen Baugruppen, mittels der FE-Software ABAQUS© ermittelt. Ein Abgleich der numerisch ermittelten mit den gemessenen Strukturspannungen lieferte eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse. In weiterer Folge wurde eine Lebensdauerbeurteilung unter Zuhilfenahme der Software FEMFAT© durchgeführt. Die iterative Strukturoptimierung der Rahmenkonstruktion erfolgte durch gesteuertes Deaktivieren von Elementen (Soft Kill Option-Methode) mittels der Software TOSCA©. Der vorgegebene Optimierungsraum wird beispielhaft an einer ausgewählten Strukturkomponente auf minimales Gewicht bei maximaler Steifigkeit berechnet. Bei gleicher numerisch ermittelter Lebensdauer wurde somit durch die in dieser Arbeit vorgestellte Optimierungsmethodik eine Gewichtsreduktion der optimierten Konstruktionsvariante von bis zu 40% gegenüber der Ausgangsversion erzielt.

KW - Fatigue assessment

KW - Structural optimization

KW - Heavy-machinery

KW - Recycling

KW - Betriebsfestigkeit

KW - Strukturoptimierung

KW - Schwermaschinenbau

KW - Recycling

M3 - Diplomarbeit

ER -