Finite element analysis of polymer based cylinder rings of piston compressors

Titel in Übersetzung: Finite Elemente Analyse zur Optimierung kunststoffbasierter Zylinderringe reziprokierender Kolbenkompressoren

Marcel Ruetz

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

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Abstract

Die vorliegende Masterarbeit wurde in Kooperation zwischen dem Institut für Mechanik der Montanuniversität Leoben und der Hoerbiger GmbH geschrieben. Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau eines geeigneten Finite Elemente Modells zur Bestimmung des maximal möglichen Zylinderringüberstands für doppeltwirkende Kolbenkompressoren. Zunehmende Zylinderringüberstände führen zu einer Abnahme des Verschleißes zwischen Zylinderwand und Kolben. Gleichzeitig erhöhen sich die auftretenden Spannungen, Verzerrungen und Deformationen im Zylinderrring. Zur Erstellung des FE-Modelle werden automatisierte Python-Scripts herangezogen. Zur Validierung der Simulationsresultate eines axialsymmetrischen Modells wird ein Vergleich mit verschiedenen 3D-Geometrien durchgeführt. Dazu wird zunächst ein linear-elastisches Materialmodell verwendet. Da die Ergebnisse des axialsymmetrischen Modells eine gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der 3D-Modelle zeigen, wird in weiterer Folge nur noch das axialsymmetrische Modell verwendet. Aus den Materialdaten der Hoerbiger GmbH. werden die Parameter eines nichtlinear viskoelastischen Materialmodells bestimmt. Dieses Modell berücksichtigt neben der Abhängigkeit von Zeit und Temperatur auch die Abhängigkeit von der Deformation bei höheren Belastungen. Kunststoffe weisen nur einen kleinen linear-elastischen und linear-viskoelastischen Deformationsbereich auf, deshalb erweist sich ein nichtlinear-viskoelastische Materialmodell als beste Beschreibung. Schließlich wird der Einfluss der unterschiedlichen Parameter (Zeit, Druck, Temperatur, Zylinderringüberstand sowie Lastrate) auf das Deformationsverhalten des Zylinderrings untersucht. Auch der Einfluss der Abmessungen der Zylinderringe ist von Interesse. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Parameter unterschiedlich stark auf das Kriechverhalten des Materials auswirken. Mittels eines geeigneten Kriteriums wird der maximal mögliche Zylinderringüberstand bestimmt. Da die auftretenden Kriechdehnungen sehr klein sind, sind diese nicht versagensentscheidend. Es liegt ein klassisches Ermüdungsfestigkeitsproblem vor. Die maximal möglichen Zylinderringüberstände werden in Analogie zur FKM-Richtlinie bestimmt. Der Zylinderringüberstand wird dabei in einer Parameterstudie bei unterschiedlichen Druckniveaus solange erhöht, bis der maximale Auslastungsgrad erreicht ist. Da für das verwendete Material keine Ermüdungsfestigkeitsdaten verfügbar sind, werden diese Daten mithilfe von Abschätzformeln bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass der zulässige Zylinderringüberstand in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zum Teil deutlich vergrößert werden kann, bevor der maximale Auslastungsgrad erreicht wird.
Titel in ÜbersetzungFinite Elemente Analyse zur Optimierung kunststoffbasierter Zylinderringe reziprokierender Kolbenkompressoren
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Antretter, Thomas, Betreuer (intern)
  • Kaufmann, Andreas, Betreuer (extern)
Datum der Bewilligung21 Okt. 2022
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2022

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Zylinderringe
  • Finte Elemente Methode
  • Viskoelastizität
  • Kriechverhalten
  • Ermüdungsfestigkeit

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