Entwicklung eines Methodenbaukastens zur ganzheitlichen akustischen Simulation von baumaschinen- und fördertechnischen Systemen

Vor dem Hintergrund der Neueinführung bzw. Verschärfung der Emissionsgrenzwerte für Baumaschinen im Rahmen der Aktualisierung der Outdoor Noise Richtlinie 2000/14/EG ab 2019 sind erhöhte maschinenakustische Anforderungen im Rahmen der Entwicklung von Baumaschinen zu erwarten.

Ziel des Projektes war somit die Entwicklung einer methodischen Vorgehensweise, die den Anwender in die Lage versetzt, die Gesamtschallemission einer komplexen Maschine bereits während der Entwicklungsphase zuverlässig abzuschätzen und Maßnahmen zur Lärmminderung zu bewerten. Im Rahmen der Modellierung relevanter Schallquellen fand dabei die direkte Luftschallemission der Aggregate und Komponenten in gleicher Weise Berücksichtigung, wie der Strukturkörperschall. Die Schallausbreitung beeinflussende Strukturelemente, wie Verblendungen, Hauben, Dämmelemente, Kühlöffnungen etc. wurden mit ihren akustischen Eigenschaften abgebildet.

Auf Basis einer Luftschallausbreitungssimulation wurden Gesamtschalldruckpegel im Umfeld der Maschine oder im Kabinenbereich berechnet. Dazu wurden Methoden aus der Raumakustik – konkret das Raytracing-Verfahren – verwendet, da dieses Verfahren, basierend auf der Geometrischen Akustik, mit einer deutlich reduzierten Rechenzeit (im Vergleich zu FEM-, oder BEM-Ansätzen) eine akustische Bewertung ermöglicht.

Vergleichende Simulationen mit modifizierten Schallquellen, alternativen Materialien oder konstruktiven Anpassungen zeigten bestehendes Schallreduktionspotential auf und sind Basis zur Ableitung gezielter Lärmminderungsmaßnahmen.

Im Ergebnis entstand unter Einbeziehung der Ergebnisse vorangegangener IGF-Projekte ein vollständiger Methodenbaukasten. Zur effizienten Anwendung wurde ein Leitfaden sowie eine Bibliotheksstruktur zur Auswahl und Parametrierung typischer Schallquellen und geeigneter akustischer Dämmmaterialien zur Verfügung gestellt.

Dieses Forschungsprojekt (IGF-Vorhaben 20703 / N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. - FKM, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt am Main) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

Weitere Informationen: Schlussbericht Methodenbaukasten.pdf

Grenzzustände von den Komponenten von EHCR-Boost Systemen – Bewertung hinsichtlich Betriebsfestigkeit und Zuverlässigkeit

Verbundprojekt: EHCR-Boost – Kompakt vernetzte Mehrphasen Transportsysteme mit neuen Casing Gas Kompressoren zur Erhöhung der Ausförderrate maritimer Öl- und Gasfelder

Im Rahmen des Ausbaus vernetzter Mehrphasen-Transportsysteme zu maritimen EHCR-Boost Systemen wird ein Casing-Gas Kompressor (CGC) als neuer Maschinentyp entwickelt und es ergeben sich verschärfte Betriebsbedingungen für Mehrphasen-Downhole-Aggregate (MDA) wobei der Einsatz von Hartmetall (WC-Co) u.a. durch die Verschleißbeständigkeit deutliche Lebensdauersteigerungen erwarten lässt. Um die Sicherheit und Zuverlässigkeit dieser Maschinen absichern zu können, wurden in diesem Projekt Methoden zur Nachweisführung des CGC und zur Festigkeitsbewertung von Hartmetall-Bauteilen entwickelt. Für Hartmetall-Komponenten wurde ein durchgängiges Verfahren zur Festigkeitsbewertung auf Basis des Weakest-Link-Konzeptes entwickelt, welches mittels statischer und zyklischer Versuche parametriert und validiert worden ist. Ein Schwerpunkt bildet dabei die Betrachtung des effektiven Volumens zur Berücksichtigung der Spannungsverteilung und der Bauteilabmessungen im Kontext von zyklischer Ermüdung und Spannungskonzentrationen an Formkerben. Zur Nachweisführung des CGC wurden ausgehend von den Einsatzbedingungen und Erfahrungen des Projektpartners ITTB potentielle Grenzzustände erfasst. Hierauf aufbauend wurde über eine detaillierte simulationsgestützte Betrachtung der Komponenten des CGC (insbesondere FEM) hinsichtlich Temperaturen, Verformungen, Spannungen, Schwingungseigenschaften ein Systemverständnis aufgebaut und die relevanten Grenzzustände für die Nachweisführung in der Praxis herausgearbeitet. Zudem wurden geeignete Modellansätze bzw. Modellierungstiefen zur praxisgerechten Abbildung der Grenzzustände erarbeitet. Die Ergebnisse wurden als Nachweismatrix zusammengefasst, die die Schritte zur Durchführung des Nachweises enthält.

Laufzeit des Vorhabens: 01.10.2017 - 31.03.2021
Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) auf Grund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags (Förderkennzeichen: 03SX446C).

Weitere Informationen:
Schlussbericht des Teilvorhabens (Einreichung bei der TIB - laufend)

Ersatzmodellierung und Parametrierung nichtlinearer Schnittstellenelemente

IGF-Vorhaben 18420 N des FKM e.V.

Die Lärmminimierung von mobilen Baumaschinen ist eine wichtige Aufgabe der Maschinenhersteller, da der Gesetzgeber immer strengere Grenzwerte vorgibt und leise Baumaschinen durch die erhöhte Sensibilisierung bzw. Komforterwartung von Anwender und Umfeld einen Wettbewerbsvorteil bieten können. Vor dem Hintergrund entwickelt die AG Baumaschinen- und Fördertechnik simulationsgestützte Methoden, die durch Maschinenhersteller entwicklungsbegleitend eingesetzt werden können. Damit bekommt der Maschinenhersteller die Möglichkeit, bereits vor Fertigstellung des ersten Prototypen eine akustische Bewertung und ggf. Optimierung durchführen zu können. Im aktuell abgeschlossenen Forschungsprojekt sind dazu die akustischen Eigenschaften von typischen Schnittstellenelementen (bspw. Elastomerlager) untersucht und geeignete Simulationsansätze abgeleitet worden. Weitere Details zu dem Forschungsprojekt finden Sie hier:
Schlussbericht Schnittstellenelemente.pdf

Dieses Forschungsprojekt (IGF-Vorhaben 18420 N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. - FKM, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt am Main) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages gefördert.

Festigkeitsbewertung ausgewählter Komponenten vernetzter Mehrphasen-Transportsysteme bei Verwendung alternativer Werkstoffe

Verbundprojekt: MPNet - Maritime Multiphasentransportnetzwerke - Fördertechnologie zum bedarfsgerechten Transport von Mehrphasengemischen

Stetig steigende Anforderungen an die Komponenten vernetzter Mehrphasen-Transportsysteme in Sub-Sea und Off-Shore Anwendungen und die Forderung nach dem Nachweis eines zuverlässigen und wartungsfreien Betriebs derartiger Systeme machen die Einbeziehung alternativer Werkstoffe und deren Berücksichtigung in der Festigkeitsnachweisführung notwendig. Da keine ausreichend ausformulierten Nachweise für die in diesem Zusammenhang relevanten Werkstoffgruppen existierten, schuf dieses Teilprojekt, bezogen auf das beschriebene maritime Anwendungsumfeld, eine entsprechende Basis.
Hierzu wurde eine Referenzkomponente ausgewählt und in einem detaillierten Finite-Elemente-Simulationsmodell abgebildet. Auf Basis der ganzheitlichen Erkenntnisse zur Beanspruchungssituation wurden nun für die drei alternativen Werkstoffgruppen sowie für einen Referenzedelstahl Ersatz-Geometrie Proben abgeleitet, welche eine vergleichende Bewertung der Tragfähigkeit dieser Komponente für die genannten Werkstoffe unter Beibehaltung der Beanspruchungssituation, jedoch in einem reproduzierbaren und wirtschaftlichen Prüfumfeld ermöglichen. Zusätzlich wurden für den untersuchten Nickel-Basis Werkstoff ausgewählte Schwingfestigkeitseinflüsse anhand von speziell entwickelten Einflussproben untersucht und Einflussfaktoren für den Berechnungsablauf abgeleitet. Abschließend wurden die gewonnenen Erkenntnisse anhand der Referenzkomponente verifiziert.

Laufzeit des Vorhabens: 01.06.2014-30.09.2017
Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) auf Grund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags (Förderkennzeichen: 03SX373C).
Weitere Informationen: Schlussbericht des Teilvorhabens

Nachweis der Betriebsfestigkeit und Zuverlässigkeit ausgewählter Komponenten von Downhole Mehrphasenpumpen Aggregaten (MDA)

Verbundprojekt: VMPT - Vernetzte Mehrphasentransporttechnik, Sub Sea, Off- und Onshore, (Deutsch-Russische Forschungs- und Entwicklungskooperation)

Mehrphasenfördersysteme für Kohlenwasserstoffe im Subsea-, On- und Offshore-Einsatz müssen besonders hohe Anforderungen an Standzeit und Betriebszuverlässigkeit erfüllen, da als Folge eines Störfalls gravierende ökonomische und ökologische Schäden entstehen können. Mit dem Mehrphasen Downhole Agregat (MDA) wurde erstmals ein Pumpensystem für den Einsatz im Bohrloch konzipiert. Die extremen Bauraumrestriktionen bei gleichzeitig unverändert hoher Förderleistung und durch den Downhole-Einsatz verschärften Betriebsbedingungen machen bei der Realisierung eines MDA-Prototyps neue technische Lösungen notwendig. In diesem Teilprojekt wurden bestehende Nachweiskonzepte auf die neuen Gegebenheiten erweitert.
Entsprechend der neuen Betriebsbedingungen wurden potenziell geeignete Werkstoffe ermittelt und für diese Möglichkeiten für die Festigkeitsberechnung recherchiert. Parallel zum Entwicklungsprozess des MDA-Demonstrators wurden Last- und Beanspruchungsmodelle für die relevanten Komponenten auf Basis numerischer Methoden zu entwickelt und mit deren Hilfe ein erster Festigkeitsnachweis der Komponenten durchgeführt. Anschließend wurde auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse die Grundlagen für eine praxisgerechte Methodik zum Festigkeitsnachweis gelegt, indem parametrische Berechnungsmodelle für die als relevant identifizierten Komponenten erstellt wurden, welche die Lasten, Beanspruchungen und Beanspruchbarkeiten ohne den Einsatz umfangreicher numerischer Modellierung der konkreten Geometrie bereitstellten.

Laufzeit des Vorhabens: 01.01.2011-30.04.2014
Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) auf Grund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags (Förderkennzeichen: 03SX321E).
Weitere Informationen: Schlussbericht des Teilvorhabens