Vorhersage der Tragfähigkeit thermoplastischer Gewinde
Die für komplexe Fertigungswerkzeuge erforderlichen Investitionen legen eine vorherige Bewertung der Erfolgsaussichten nahe. Moderne Simulationsmethoden helfen, die insbesondere bei konstruktiven Details auftretenden komplexen Fragen zu beantworten. Damit sind sie unabdingbar für die erfolgreiche Umsetzung neuartiger Bauteilkonzepte.
Die Speicherung gasförmiger Energieträger wie Wasserstoff stellt heutzutage grundsätzlich keine technische Herausforderung mehr dar. Die Integration der dafür nötigen Drucktanks in mobilen Anwendungen ist jedoch oft problematisch, vor allem in PKW. Dafür wären bauraumangepasste mehrzellige Hochdruck-Wasserstoffspeichersysteme vorteilhaft.
Fest verschraubt
Im Rahmen des Projekts BRYSON untersuchte das LZS gemeinsam mit Partnern (TU Dresden, herone GmbH und weitere) kosteneffiziente Fertigungsverfahren für bauraumeffiziente Speichersysteme. Als eine mögliche Lösung erwiesen sich kontinuierlich im Flechtverfahren hergestellte Rohre aus thermoplastischen Tapes mit verschraubten Abschluss- und Verbindungselementen. Dass in thermoplastischen Matrixsysteme die Gewindefittinge direkt beim Konsolidieren in die Rohre integriert werden können, ist ein wirtschaftlicher Vorteil des Gesamtsystems – wenn die Gewinde zuverlässig dimensioniert werden können.
Konzept eines zylindrischen Rohrspeichers (BRYSON)
Sicher berechnet
Zur Vorhersage der Gewindetraglast wurde ein vereinfachter numerischer Tragfähigkeitsnachweis in Anlehnung an ASME Code Section VIII basierend auf einem Materialmodell mit idealplastischem Verhalten durchgeführt. Zugversuche an Rohrprüfkörpern mit co-konsolidiertem Außengewinde validierten die Berechnung. Grundlage für den numerischen Tragfähigkeitsnachweis ist ein zyklisch symmetrisches FE-Modell des Rohrprüfkörpers (s. Abb. unten). Der Vergleich zeigt, dass die vorhergesagten Versagenslasten konservativ unterhalb der experimentell ermittelten Streubreite der Tragfähigkeiten lagen. Es sind also damit zuverlässige
Aussagen zur Tragfähigkeit von thermoplastischen Gewindeverbindungen möglich.
Somit eignet sich diese Modellierung hervorragend, um während der Versuchs- und Konzeptphase einer Entwicklung verschiedene Varianten und Parameter zu vergleichen und Mindestwerte für Geometrie und Material zu ermitteln. Dieses Vorgehen stellt sicher, dass die erforderlichen Fertigungsmittel und Werkzeuge gleich für die ideale Geometrie angefertigt werden und zeit-, geld- und nervenaufreibende Änderungsschleifen entfallen.
Numerischer Tragfähigkeitsnachweis: a) FE-Modell, b) Last-Verschiebungskurve, c) Plastifizierung der Gewindegänge
Das Forschungsprojekt BRYSON (Bauraumeffiziente HYdrogenSpeicher Optimierter Nutzbarkeit, FKZ 03ETB019B) wird gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK).
Kontakt:
LZS GmbH, Dresden
Dr.-Ing. Karsten Wippler, CEO
+49 351 44 69 60-00
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