TY - THES

T1 - Thermomechanische Simulation eines zylinderförmigen Laborofens mittels Einheitszellen-Ansatz

AU - Haller, Joachim

N1 - nicht gesperrt

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein FE-Simulationsmodell eines zylinderförmigen und mit Feuerfestmaterial zugestellten Laborofens basierend auf einem 3D-Einheitszellenansatz entwickelt. Mit dem Softwarepaket Abaqus [1] wurden damit thermomechanische Simulationen mit einem einer Stahlpfanne in der Sekundärmetallurgie der Stahlerzeugung ähnlichen Temperaturzyklus durchgeführt. Unter Annahme elastischen Materialverhaltens des Verschleißfutters (Alumina-Spinell (AS) Steine) und von plastischem Verhalten im Stahlmantel wurde durch Variation der Elementgröße unter Berücksichtigung der numerischen Kosten eine optimale Elementgröße ermittelt. Weiters wurde durch Variation der initialen Dehnvorgabe der vertikalen Seitenfuge der Einfluss dieser auf die maximal auftretenden Spannungen und die Fugenöffnung untersucht. Um die Einflüsse von Kriech-, Zug- und Scherversagen im Verschleißfutter zu bestimmen, wurden Simulationen mit den in Abaqus [1] enthaltenen Materialversagensmodellen Power-Law-Creep, Concrete Damaged Plasticity (CDP) und Drucker-Prager durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulationen wurden in Bezug auf das Spannungs-Dehnungsverhalten der Zustellung und des Stahlmantels sowie auf die Öffnung der Fugen im Verlauf des Heizzyklus miteinander verglichen, wobei sich unter anderem zeigte, dass das Materialversagen aufgrund von Kriechen den größten Einfluss auf die Fugenöffnung zwischen den Alumina-Spinell Steinen hat. Die Untersuchung mit den in Abaqus [1] enthaltenen Materialversagensmodellen bietet die Möglichkeit Phänomene des Kriech-, Zug- und Scherversagens in der feuerfesten Zustellung mit effizientem Aufwand vorherzusagen und zu vergleichen. Ein Nachteil dieser Vorgehensweise ist allerdings, dass die Einflüsse der verschiedenen Versagensmodelle aufeinander nicht abgebildet werden können. Dennoch geben die Simulationsergebnisse einen Überblick über die Belastungen, welche in der Zustellung des Laborofens erwartet werden und bieten eine Grundlage zum Vergleich mit Messergebnissen, welche nach Fertigstellung des Ofens generiert werden.

AB - Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein FE-Simulationsmodell eines zylinderförmigen und mit Feuerfestmaterial zugestellten Laborofens basierend auf einem 3D-Einheitszellenansatz entwickelt. Mit dem Softwarepaket Abaqus [1] wurden damit thermomechanische Simulationen mit einem einer Stahlpfanne in der Sekundärmetallurgie der Stahlerzeugung ähnlichen Temperaturzyklus durchgeführt. Unter Annahme elastischen Materialverhaltens des Verschleißfutters (Alumina-Spinell (AS) Steine) und von plastischem Verhalten im Stahlmantel wurde durch Variation der Elementgröße unter Berücksichtigung der numerischen Kosten eine optimale Elementgröße ermittelt. Weiters wurde durch Variation der initialen Dehnvorgabe der vertikalen Seitenfuge der Einfluss dieser auf die maximal auftretenden Spannungen und die Fugenöffnung untersucht. Um die Einflüsse von Kriech-, Zug- und Scherversagen im Verschleißfutter zu bestimmen, wurden Simulationen mit den in Abaqus [1] enthaltenen Materialversagensmodellen Power-Law-Creep, Concrete Damaged Plasticity (CDP) und Drucker-Prager durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulationen wurden in Bezug auf das Spannungs-Dehnungsverhalten der Zustellung und des Stahlmantels sowie auf die Öffnung der Fugen im Verlauf des Heizzyklus miteinander verglichen, wobei sich unter anderem zeigte, dass das Materialversagen aufgrund von Kriechen den größten Einfluss auf die Fugenöffnung zwischen den Alumina-Spinell Steinen hat. Die Untersuchung mit den in Abaqus [1] enthaltenen Materialversagensmodellen bietet die Möglichkeit Phänomene des Kriech-, Zug- und Scherversagens in der feuerfesten Zustellung mit effizientem Aufwand vorherzusagen und zu vergleichen. Ein Nachteil dieser Vorgehensweise ist allerdings, dass die Einflüsse der verschiedenen Versagensmodelle aufeinander nicht abgebildet werden können. Dennoch geben die Simulationsergebnisse einen Überblick über die Belastungen, welche in der Zustellung des Laborofens erwartet werden und bieten eine Grundlage zum Vergleich mit Messergebnissen, welche nach Fertigstellung des Ofens generiert werden.

KW - thermomechanische Simulation

KW - FE-Simulation

KW - Einheitszellen-Ansatz

KW - Power-Law-Creep

KW - Concete Damaged Plasticity

KW - Drucker-Prager

KW - Alumina-Spinell

KW - thermomechanical simulation

KW - FE-simulation

KW - unit cell approach

KW - power-law-creep

KW - concrete damaged plasticity

KW - Drukcer-Prager

KW - alumina-spinel

M3 - Masterarbeit

ER -