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A new thermal shock application-oriented testing method for ceramic components and refractories
(2019)
Ceramics and refractories are often used in high-temperature applications like industrial furnaces. Therefore, thermomechanical and heat resistance of ceramic and refractory materials are important. The material behaviour is described by thermal stress resistance. Established material tests to determine thermal shock behaviour are complex and do not yield key figures. The potential of application-related material testing in combination with simulations with transfer from ceramics to refractories is described below. The combination of model-based simulation with applied material testing offers numerous advantages. On the one hand, the design of the test setup is supported by the simulation, which results in a goal and application-oriented test setup. On the other hand, the iterative approach allows the model verification with the help of the applied material testing. The simulation shows that the transfer from ceramics to refractory material is possible and results according to literature. The design reliability of the components is thereby improved, since initially different loads can be simulated in the model in combination with a variety of materials and geometries, and thereby substitute complex and expensive preliminary tests. As a result, verified models offer a great savings potential in terms of time to market, development expenses and use of raw materials. Very important is, that the method is suitable for technical ceramics and refractory materials.
Leichtbauwerkstoffe bewegen sich im Spannungsfeld neuer Werkstoffkombinationen, Herstellungs- und Fügetechnologien sowie von Lebensdauer und Nachhaltigkeit. Besondere Aufmerksamkeit sollte daher hybriden CFK-Metallverbunden gelten. Gefördert von der Internationalen Bodensee Hochschule IBH untersucht etwa das Werkstoffprüflabor der Hochschule Konstanz (HTWG) in einem internationalen Forschungsprojekt die Festigkeit von Sandwich-Verbunden aus Aluminium und CFK.
Der Einsatz von Keramiken erfolgt oft bei hohen Temperaturen oder großen Temperaturgradienten. Deshalb ist die thermo-mechanische Beständigkeit von keramischen und feuerfesten Werkstoffen wichtig für die Materialauswahl und das Bauteildesign. Das Werkstoffverhalten wird durch die Thermoschock- bzw. Temperaturwechselbeständigkeit beschrieben. Etablierte Werkstoffprüfungen zu ihrer Ermittlung sind komplex und aufwendig. Das Potenzial von anwendungsnaher Werkstoffprüfung in Kombination mit modellbildender Simulation wird beschrieben.
Ceramics are often used in high-temperature applications. Therefore, thermomechanical and heat resistance of ceramic and refractory materials are important. The material behaviour is described by thermal stress resistance. Established material tests to determine thermal shock behaviour are complex. The potential of application-related material testing in combination with simulations is described below.
Die Entstehung von Radsatz-Torsionsschwingungen kann aufgrund der zunehmenden Ausnut- zung des Kraftschlusses im Rad-Schiene-Kontakt nicht vollends verhindert werden. Während analytische Untersuchungen zeigen, dass bei der Überschreitung eines bestimmten Dämp- fungswerts die Entstehung von Radsatz-Torsionsschwingungen vollständig vermieden wird, zeigen Simulationen, dass die Schwingungsamplitude des dynamischen Torsionsmoments in- folge des betragsmäβig sinkenden Kraftschlussgradienten und einer gewissen Antriebsstrang- dämpfung bei höheren Gleitgeschwindigkeiten begrenzt ist. Im Gegensatz zur analytischen Formel (17) ist damit ein maximales, dynamisches Torsionsmoment berechenbar.
Durch eine ganzheitliche Betrachtung des Gesamtsystems, bestehend aus dem Kraftschluss zwischen Rad und Schiene, dem Radsatz inkl. Lagerung, sowie Antriebsstrang können ver- schiedene Einflussfaktoren untersucht werden, die eine Radsatz-Torsionsschwingung beein- flussen. Die damit verbundenen Berechnungsmodelle sind aufgrund der Anzahl von Massen und Freiheitsgraden nicht mehr analytisch lösbar. Durch den Einsatz von Mehrkörperdynamik-Software können die Einflussfaktoren identifiziert und deren Einfluss auf die Torsionsneigung des Systems und das dynamische Torsionsmoment quantifiziert werden.
Die Projektaufgabe bestand darin, den aktuellen Laborversuch zu modernisieren, indem die Kommunikation zwischen dem Versuchsaufbau und Laborrechner nicht wie bisher über Wandlerkarten stattfindet, sondern über EtherCAT und TwinCAT 3.
Die Installation von TwinCAT 3 mit den zugehörigen Erweiterungen und erforderlichen Programmen stellt sich als sehr umfangreich und schwierig dar, was die Installationsanleitungen zeigen. Außerdem gab es sehr viele Fehlerquellen, die nicht auf Anhieb ersichtlich waren, wie das Aktualisieren der aktuellen MATLAB Version. Ist die Installation abgeschlossen kann die Kommunikation zwischen MATLAB und TwinCAT relativ einfach umgesetzt werden.
In der Projektarbeit wurde anfangs dann die Kommunikation mit mehreren Tests überprüft und Optimierungen vorgenommen. So wurde zum Beispiel die Wegbegrenzung angepasst. Schwierigkeiten zeigten sich bei der Bedienung über MATLAB oder beim Abstürzen von MATLAB, da beim Stoppen oder Abstürzen von MATLAB, der zuletzt gesendete Wert immer noch an TwinCAT 3 anliegt und somit der Aktor weiter verfahren würde. Diese sehr gefährliche Situation wäre ein gravierender Nachteil, gegenüber der alten Kommunikation mit einer Wandlerkarte. Um einen sicheren Stopp zu garantieren, wird über ein neues TcCOM Objekt der Matlab-Status mit einem Togglebit überprüft, ändert sich der Wert des Bits nicht mehr, stoppt die Anlage sicher.
Um einen Vergleich mit dem bisherigen Masterversuch erhalten zu können, wurde die Strecke mit der neuen Kommunikation untersucht und ein passender Regler dafür auszulegt.
Die Auswertung der Impulsantwort sowie der „Spectrum-Analyse“ zeigten beim Vergleich mit den Schnittstellen gleiche Ergebnisse, somit sind die Versuche bei dem Laborversuch ohne Einschränkungen durchführbar. Die Auslegung des Reglers zeigte entgegen den Prognosen der Beckhoff-Experten sehr gute Ergebnisse und die Kommunikation über die Schnittstelle zeigte keine Probleme.
Einschränkungen zeigten sich jedoch bei der einzustellenden Abtastzeit, da eine Abtastzeit unter 2ms nicht möglich ist. Zwar kann man eine geringere Abtastzeit einstellen, jedoch zeigt sich bei der Auswertung, dass die Schnittstelle mit Abtastzeiten unter 2ms Probleme aufweist. Die Rechendauer wird deutlich größer und die größere Anzahl an Messpunkte kann nicht richtig verarbeitet werden. Ein Regler kann damit nicht implementiert werden.
Die Projektarbeit konnte somit erfolgreich angeschlossen werden und bis auf die aufwendige Installation sind die Erweiterungen von Beckhoff sehr zuverlässig und gut zu bedienen. Die ersten Voruntersuchen waren positiv, somit kann auch an weiteren Laborrechnern eine Umstellung der Schnittstelle in Betracht gezogen werden.