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Angewandte Mechanik

Simulation von mechanisch belasteten Strukturen bei hoher Temperatur

Kriechdehnung in einem Dampfturbinenrotor

Gewisse Bauteile wie zum Beispiel Dampfturbinen-Rotoren erleben eine thermomechanische Beanspruchung bei hohen Betriebstemperaturen. Die Ermüdung des Werkstoffes erfolgt durch eine Kombination von wechselnder Last und sich dabei verändernder Temperatur. Die Spannungs- und Temperaturmaxima treten in der Regel nicht gleichzeitig auf.

Dieses Phänomen wird am IMES mit Hilfe von Finite-Elemente-Simulationen berechnet. Für die stationäre und die transiente Temperaturverteilung sind zeitlich und örtlich variable thermische Randbedingungen zu berücksichtigen. Durch Simulation des nichtlinearen, temperaturabhängigen Werkstoffverhaltens mit Kriechen und Plastizität wird die Grundlage für eine zuverlässige Lebensdauer-Vorhersage der Komponenten bei hoher und variabler Temperatur geschaffen. Bei Bedarf kann auch die thermomechanische Ermüdung bestimmt werden.

Anwendung nichtlinearer Werkstoffe

Von Mises Spannung einer Gummilagerung

Viele Werkstoffe wie gummiartige Materialien sowie Kunststoff zeigen ein nichtlinear-elastisches und zeitabhängiges Verhalten unter mechanischer Beanspruchung. Die entsprechenden Werkstoffmodelle für das Berechnen von Bauteilen enthalten in der Regel mehrere Parameter, welche vor einer Simulation durch geeignete Versuche bestimmt werden müssen. Entsprechende Testabläufe und Methoden der Parameteridentifikation werden am IMES entwickelt. Dabei gilt es, diese Fähigkeit auf Werkstoffe mit komplexerem Verhalten, wie beispielsweise biologische Materialien, zu erweitern.

Mehrkörper- und Fahrzeugdynamik / Magnetorheologische Fluide

Modell einer Achsaufhängung

Mit Hilfe von Starrkörper-Simulationsprogrammen lassen sich die Bewegungen und Kräfte von Mehrkörpersystemen berechnen. Das ermöglicht eine verbesserte Auslegung von Radaufhängungen im Fahrzeugbau. Zudem können auch regelungstechnische Effekte in die Simulation mit einbezogen werden. Magnetorheologische Fluide (MRF) ermöglichen die gezielte Veränderung der Viskosität der Öle in den Feder- und Dämpferelementen und so eine signifikante Verbesserung der Fahreigenschaften und der Reduktion von Chassisschwingungen.

Das IMES simuliert das dynamische Fahrverhalten von Fahrzeugen mit hydropneumatischen Federelementen und schafft damit die Grundlage für eine optimale Auslegung regelbarer Dämpfersysteme.

Numerische Schwingungsanalyse für beliebige Strukturen

Schwingungsbild eines Schaufelkranzes

Bauteile werden in ihrem Einsatz vielmals durch Bewegungen zum Schwingen angeregt. Diese Wechselbelastung führt zu Ermüdung und Rissbildung im Material. Zudem sind für viele Anwendungen hohe Steifigkeiten nötig. Eine schwingungsoptimierte Auslegung der Struktur ist daher äusserst sinnvoll.

Finite-Elemente-Simulationen erlauben uns, das Schwingungsverhalten von Bauteilen schon in der Entwicklungsphase zu berechnen und liefern für die Konstruktion wichtige Hinweise. Bei Schadensanalysen sind sie zudem unverzichtbare Hilfsmittel für das Festlegen von Verbesserungsvorschlägen.

Das IMES befasst sich mit Schwingungsproblemen aus dem allgemeinen Struktur- und Apparatebau. Zudem arbeiten wir an der Erhöhung des Wirkungsgrades bei schnell rotierenden Maschinen wie zum Beispiel Dampfturbinen. Es gilt die Schaufeln so weiterzuentwickeln, dass sie ein besseres Schwingverhalten bei geringem Gewicht aufweisen. Finite-Elemente-Simulationen ermöglichen gekoppelte Schaufeln zu berechnen und dabei die Dämpfung der Deckbandkontakte mit zu berücksichtigen.

Projektbeispiele

Wir forschen im Bereich Mechanik und haben zahlreiche Projekte bereits erfolgreich abgeschlossen. Eine Auswahl dieser Projekte finden Sie hier:

AGILE

Die Firma AGILE WIND POWER AG entwickelt eine neuartige Windkraftanlage zur Stromerzeugung. Platzsparend, geräuschlos sowie vogelfreundlich soll sie sein und gegenüber herkömmlichen Windturbinen Vorteile hinsichtlich Transport und Montage bieten. Um die Leistungsfähigkeit der Turbine zu maximieren, arbeitet das Unternehmen eng mit der ZHAW School of Engineering zusammen. Weiterlesen

Messungen an Gummimaterialen

Nichtlineare Parameteroptimierung für Messungen an Elastomerproben. Weiterlesen

Ankerhemmung

Eine nichtlineare dynamische Finite Elemente Analyse bildet die Basis für die mechanische Optimierung einer Schweizer Ankerhemmung im Zeitbereich. Die Ankerhemmung ist das taktgebende Element bei nahezu allen mechanischen Armbanduhren. Weiterlesen

Flyer Angewandte Mechanik: