View/Open - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

156 9 Konstruktive Bauteiloptimierung
- Versetzte Zuganker: Die Zugankerbohrungen werden um 10 mm zur Plattenmitte hin
versetzt, so dass die Mittelpunkte der Bohrungen über dem Rand der Bipolarplatte
liegen. Dadurch, dass die Anpresskräfte näher zur Plattenmitte eingeleitet werden, verringert
sich das Biegemoment am Rand der Bipolarplatte. Auch bei den versetzten Zugankern
beträgt der Abstand zwischen den Zugankerbohrungen und dem Rand der Endplatte
10 mm. Die Grundfläche der Endplatten verringert sich auf 260 mm x 180 mm.
Ebenfalls wird untersucht, ob durch eine Verringerung der Anpresskraft eine Gewichtsreduktion
erzielt werden kann.
Im Fall der vollen, nicht verringerten Anpresskraft werden die acht in Nähe der Plattenecke
befindlichen Zuganker mit einem Drehmoment von 3 Nm, die restlichen mit 4 Nm angezogen.
Dies entspricht einer Vorspannkraft von 2,9 kN beziehungsweise 3,9 kN. Die Gesamtvorspannkraft
beträgt 70 kN. Für die Berechnungen unter verringerter Anpresskraft ist die Vorspannkraft
der einzelnen Schrauben halbiert. Die Kraft wird über Unterlegscheiben von den Zugankern auf
die Endplatten übertragen. Der Außen- und Innendurchmesser der Unterlegscheiben beträgt
15,8 mm beziehungsweise 6,1 mm.
Die Flächenpressung zwischen Bipolarplatte und Endplatte wird in der Simulation als konstant
über die gesamte Kontaktfläche angenommen. Sie beträgt 10 bar. Der Anpressdruck entspricht
der vom Hersteller empfohlenen Kompression der Diffusionsschicht um 40 % des unverpressten
Zustandes. Um ein Kräftegleichgewicht zu erzielen, wird der Rand der Bipolarplatte bei
den Berechnungen senkrecht zur Plattenebene fixiert. Der fest eingespannte Rand kann
demnach Reaktionskräfte in Form einer Linienkraft aufnehmen. Die Verformung des fixierten
Randes ist definitionsgemäß null.
Unter den oben vorgestellten Annahmen und Randbedingungen berechnet sich die maximale
Durchbiegung für das Referenzdesign zu 0,11 mm (siehe Bild 13.4, Kapitel 13.4). Diese Durchbiegung
bildet den Referenzwert für alle weiteren Rechnungen.
Das Potential zur Gewichtsreduktion der untersuchten Werkstoffe kann vereinfacht mit Hilfe der
Plattentheorie abgeschätzt werden. Für dünne ebene Platten gilt für die Plattensteifigkeit [111]
3
E ⋅ h
C =
Gl. 9.3
2
12 ⋅ (1 −ν )
Nach Gleichung 9.3 ist die Plattensteifigkeit C eine Funktion der Plattendicke h , des Elastizitätsmoduls
E und der Querkontraktionszahl ν . Sollen die Endplatten aus unterschiedlichen
Werkstoffen bei gleicher Belastung die gleiche Durchbiegung aufweisen, ergibt sich, dass die
Steifigkeit für alle Platten gleich sein muss. Gemäß Gleichung 9.3 muss deshalb aufgrund der
unterschiedlichen Werkstoffkennwerte E und ν die Dicke der Platten h unterschiedlich sein.
Bei gleicher Länge und Breite der Endplatten folgt daraus eine Änderung ihres Volumens.