Studienarbeit
Die Arbeit entstand von März bis September 1996 im Dynamowerk der Siemens AG in Berlin. Im Dynamowerk werden in erster Linie elektrische Maschinen großer Leistung entwickelt und gefertigt. Dazu zählen Hochspannungsmotoren, die als Antriebe für Pumpen, Mühlen, Refiner u.a. dienen sowie Schiffsantriebe, Dieselgeneratoren und Sondermaschinen.
Der Arbeit ging ein mehrmonatiges Praktikum voraus, in dem ich mit Produktanalysen und Festigkeitsproblemen befaßt war.
Die Aufgabe umfaßte einen produktspezifischen Teil und einen Teil, mit dem die Arbeit der Berechnungsabteilung des Werkes optimiert werden sollte.
a) produktspezifischer Aufgabenteil
In diesem Teil sollte eine Neuentwicklung der H-Modul-Reihe (HM3) mit der Vorgängerversion (HM2) hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften verglichen werden.
Die Neuentwicklung (HM3) weist gegenüber dem Vorgänger (HM2) aus strukturmechanischer Sicht deutliche konzeptionelle Änderungen auf, mit denen vor allem folgende Ziele verfolgt wurden:
Bild 1 veranschaulicht die Unterschiede in der äußeren Gestalt.
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| Bild 1: äußere Unterschiede zwischen H-modul2 und H-Modul3 |
Darüber hinaus bestehen wesentliche Unterschiede in der Blechpaketaufhängung, die zugunsten einer geringeren Geräuschemission geändert wurde.
Im Mittelpunkt des Vergleiches standen die Steifigkeit der Maschinen, die relative Rotordurchsenkung, die ersten Eigenfrequenzen sowie die Geräuschemission.
b) Leistungsvergleich verschiedener FEM-Programme
Zusätzlich zu den produktorientierten Aufgaben sollte am Beispiel des HM3-Modells ein Leistungsvergleich verschiedener FEM-Programme durchgeführt werden. Gegenstand des Vergleiches waren die Programme:
Zum damaligen Zeitpunkt lagen in der Berechnungsabteilung des Dynamowerks Lizenzen für alle drei Programme vor.
Mit dem Vergleich wurde das Ziel verfolgt, die Anzahl der vorhanden Lizenzen zu reduzieren oder zumindest deren Nutzung effektiver zu gestalten. Er konzentrierte sich dabei auf die Prüfung der Programme hinsichtlich ihrer Eignung, die mechanischen Fragestellungen im Dynamowerk lösen zu können.
Der Leistungsvergleich sollte sich auf die FEM-Löser (Solution) der drei genannten Programme beschränken. Das Erstellen des HM3-Modells erfolgte mit dem sehr komfortablen Modellierer in I-DEAS.
Dies birgt für die Arbeit mit ADINA 7.0 und ANSYS 5.3 die Besonderheit in sich, daß die Modelldaten aus I-DEAS in das jeweilige Eingabeformat übersetzt werden müssen. Es sollte daher zusätzlich die korrekte Funktionsweise der dafür erforderlichen Übersetzungsprogramme (Schnittstellen) überprüft werden.
a) produktspezifischer Aufgabenteil
Zur Lösung der Aufgabe wurde die Methode der finiten Elemente angewendet. Daher mußten zunächst für beide Maschinentypen FE-Modelle mit vergleichbarem Diskretisierungsgrad erstellt werden.
Anschließend wurden mit beiden Modellen statische und dynamische Rechnungen durchgeführt. Zu den statischen Lastfällen zählten die Ermittlung der Steifigkeit unter verschiedenen Einheitslasten sowie die Ermittlung der relativen Rotordurchsenkung unter Eigengewicht.
Zum Bereich der dynamischen Rechnungen gehört die Ermittlung der ersten 25 Eigenfrequenzen und die Geräuschanalyse. Bei der Geräuschanalyse kam das Verfahren der modalen Entkopplung zum Einsatz. Dabei müssen in einem ersten Schritt die Eigenvektoren des Systems ermittelt werden, bevor im zweiten Schritt die zeithabhängige Last aufgeprägt werden kann.
Für den Vergleich zweier Schallquellen ist die abgestrahlte Leistung von Bedeutung. Diese hängt von folgenden Faktoren ab:
Die abstrahlende Fläche wird bei beiden Maschinen, gleiche Baugröße vorausgesetzt, als in etwa gleich angesehen. Dies ist eine Vereinfachung, die bei der Neuentwicklung HM3 gegenüber der Realität eher zu konservativen Ergebnissen führt.
Der Abstrahlgrad bestimmt die Wandlung der Körperschallschnelle in Luftschallleistung und kann nur meßtechnisch bestimmt werden. Allerdings sind hier zwischen beiden Maschinen keine grundsätzlichen Unterschiede zu erwarten.
Somit beschränkt sich der Vergleich der Maschinen hinsichtlich der abgestrahlten Leistung auf die Gegenüberstellung der Körperschallschnellen, die sich mit dem oben umrissenen Verfahren ermitteln lassen. Dieses Vorgehen gestattet natürlich nur einen qualitativen Vergleich der Maschinen. Für die Beurteilung der Wirksamkeit der veränderten Blechpaketaufhängung ist dies jedoch ausreichend.
Als Anregung wurde bei der Geräuschanalyse ein Radialdruck im Luftspalt simuliert. Es kann davon ausgegangen werden, daß die Radialkomponenten der Interaktionen zwischen Rotor und Stator die höchsten Anteile abgestrahlter Leistung erzeugen.
b) Leistungsvergleich verschiedener FEM-Programme
Die Aufgaben kommerzieller FEM-Programme lassen sich in 3 Bereiche unterteilen:
Den Schwerpunkt des Vergleiches bildetete das Aufstellen und Lösen des Gleichungssystems. Die Vergleichsrechnungen wurden mit dem Modell des H-Modul3 durchgeführt. Es wurden Aufgaben aus folgenden Problemfeldern gelöst, die für die Berechnungsabteilung typisch sind:
Die Modellerstellung einschließlich der Definition der Randbedingungen erfolgte mit dem I-DEAS Modeller, der äußerst komfortabel ist. Wie bereits erwähnt, erfordert dies für die Rechnungen mit ADINA und ANSYS einen Modellexport. Wegen negativer Erfahrungen sollten die dafür zur Verfügung stehenden Schnittstellen systematisch auf ihre Zuverlässigkeit überprüft werden. Dies ging nur mit einer Vielzahl kleiner und leicht überprüfbarer Beispielrechnungen.
a) produktspezifischer Aufgabenteil
Der überwiegende Teil der statischen Rechnungen ergab, daß die Steifigkeiten der beiden Maschinen durchaus vergleichbar sind. Ausnahmen sind jene Lastfälle, bei denen Querkräfte an den Lagern angreifen. Die Ursache dafür ist ein geringeres Widerstandsmoment beim HM3, wenn man das Gehäuse als Biegeträger betrachtet.
Darüber hinaus traten Unterschiede bei am Umfang des Blechpaketes verteilten Kräften auf. Hierfür ist die hohe Nachgiebigkeit der Bodenplattes des HM3 verantwortlich.
Der Vergleich der Köperschallschnellen ergab beim HM3 in allen untersuchten Freiheitsgraden deutlich geringere Pegel gegenüber der Vorgängerversion.
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Bild 2: Vergleich der Körperschallschnellen zwischen HM2 und HM3 in verschiedenen Freiheitsgraden. |
Wie erläutert, ist mit dem eingeschlagenen Weg nur ein qualitativer Vergleich der Maschinen hinsichtlich ihrer Schallemissionen möglich. Pegelunterschiede von 20dB zugunsten des HM3 lassen jedoch den Schluß zu, daß das veränderte Prinzip der Blechpaketaufhängung tatsächlich zu deutlich geringeren Geräuschemissionen beim HM3 führt.
b) Leistungsvergleich verschiedener FEM-Programme
Etwas überraschend waren die Unterschiede in den Ergebnissen der statischen Lastfälle von bis zu 20%. Sie traten bei Verwendung linearer Verschiebungsansätze auf. Dabei fiel keines der Programme besonders positiv oder negativ auf. Unter Verwendung quadratischer Verschiebungsansätze lag jedoch wieder eine hohe Übereinstimmung vor.
Das Kontaktproblem wurde von ADINA 7.0 am besten bewältigt. Hinsichtlich der Rechenzeiten schnitt I-DEAS mit dem sparse-matrix-solver am besten ab. [Ein sparse-matrix-solver ist ein numerischer Gleichungslöser, der dünnbesetzte Koeffizientenmatrizen besonders effizient behandelt. Dünn besetzt bedeutet hier, daß die Matrix viele Nullen enthält. Die Steifigkeitsmatrizen von FEM-Gleichungssystemen bilden mathematisch die Systemeigenschaften ab und sind in der Regel dünn besetzt.] Dieser Löser ließ sich jedoch bei ADINA 7.0 optional einsetzen, wodurch das Programm die großen Rechenzeitvorteile von I-DEAS kompensieren konnte.
Zusammenfassend lautete meine Empfehlung für die Bewältigung der strukturmechanischen FEM-Aufgaben, die Kombination I-DEAS (Preprocessing)/ ADINA 7.0 (Solution/Postprocessing) einzusetzen. Diese Kombination bewältigte die für die Berechnungsabteilung des Dynamowerkes typischen Aufgaben am besten und nutzte die vorhandenen Hardwarekapazitäten am effizientesten.
Ein nicht unerheblicher Nachteil dieser Kombination soll allerdings nicht verschwiegen werden. Die mit ADINA 7.0 mitgelieferte Schnittstelle Transor 7.0 für den Modellexport aus I-DEAS wies erhebliche Mängel auf. Für den praktischen Einsatz ist daher eine der folgenden Maßnahmen erforderlich. Es besteht die Möglichkeit
Abschließend noch eine Bemerkung zu dem relativ schlechten Abschneiden von ANSYS 5.3. Nach Abschluß des Vergleiches erschien die Nachfolgeversion 5.4, in der Verbesserungen in den für diesen Vergleich durchaus wichtigen Bereichen vorgenommen wurden. So wurde ein völlig neuer Algorithmus zur Behandlung von Kontaktproblemen eingeführt und auch den Trend zum sparse-matrix-solver hatte man offensichtlich noch rechtzeitig erkannt. Ein entsprechender Löser steht mit der neuen Version optional zur Verfügung.
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