cav – Prozesstechnik für die Chemieindustrie 1-2.2023

Analyse des Schüttgutes und Materialkalibrierung
Bild: Eichholz
Bild: Cadfem
Bild: Eichholz / Cadfem
Schnitt durch ein Silo mit
Schneckenrohr und exzentrischem
Einlass
Die Befestigung des Schneckenrohres wurde korrekt dimensioniert
hand von Simulationen die erforderlichen
Antworten auf die Fragen der Konstrukteure
zu liefern. Mit der Simulation konnte die Belastung
und Durchbiegung des Rohres für
unterschiedliche Konstruktionsvarianten und
Lastfälle ermittelt und verglichen werden,
um daraus eine korrekte Dimensionierung
der Bauteile festzulegen und somit jederzeit
einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.
Simulation im Auslegungsprozess
In einem ersten Schritt wurden zwischen allen
Projektbeteiligten die Zielgrößen, die
Eingangsparameter und die zu untersuchenden
Szenarien vereinbart. Danach erfolgte
die Analyse des Schüttgutes und die für die
Partikelsimulation notwendige Materialkalibrierung.
Wichtige Kenngrößen sind zum
Beispiel der Reibungskoeffizient des Schüttgutes,
der mithilfe des Schüttgutwinkels ermittelt
werden kann, und die Schüttdichte.
Mit den von Eichholz zur Verfügung gestellten
3D-CAD-Daten der Geometrie des Silos
konnten digitale Modelle erstellt werden,
um im Anschluss die gewünschten Simulationen
durchzuführen. In diesem konkreten
Fall wurde die dynamische Wechselwirkung
zwischen dem Schüttgut und den Bauteilen
mit der Software Rocky DEM (DEM – Diskrete
Element Methode) untersucht, und die
mechanische Belastung der Bauteile mit Ansys
Mechanical (FEM – Finite Element Methode)
berechnet.
Der Befüllvorgang wurde mit einer maximalen
Anzahl von 1,3 Mio. Partikel (DEM)
simuliert, wobei die Partikeldynamik mit
einem Skalierungsmodell physikalisch korrekt
wiedergegeben wurde. Für jeden Füllstand
stellten sich mit einer Setzungssimulation
des Materials die statischen Schütt -
winkel ein und die Bewegung des Schüttgutes
kam zum Erliegen. Anschließend
konnten für die verschiedenen Füllstände
die kritischen Lastpunkte und statischen
Lasten ermittelt werden. Diese Ergebnisse
wurden in Ansys importiert und weiterverarbeitet,
sodass sich damit die Spannungen
und Verformungen des Schneckenrohres ermitteln
ließen. Außerdem wurden die ermittelten
Lasten an den Statiker (Ingenieurbüro
Grote) übergeben, der die simulierten
Lasten in seine Auslegung einbeziehen
konnte.
Auf Basis dieser Ergebnisse ließ sich die Befestigung
des Schneckenrohres korrekt dimensionieren
und positionieren, sodass die
Durchbiegung des Rohres zu keinem Zeitpunkt
die Welle beeinträchtigte. Das gilt
auch für den dynamischen Befüllungs- und
Entladungsprozess. Aufgrund des Einsatzes
einer Mischschnecke findet die Entladung
des Silos sehr gleichmäßig statt. Folglich hat
der Entladungsprozess, der ebenfalls exzentrisch
erfolgt, keinen Einfluss auf die statischen
Lasten am Schneckenrohr und ist daher
unkritisch.
Mehrwert für die Anwender
Die FEM-Berechnungen auf Basis der DEM-
Simulationsergebnisse zeigten aber auch,
dass die Blechstärke der oberen Abstützung
zu gering war und deshalb der Befestigungsring
der Belastung nicht standhalten
würde. Die Materialstärke des Rings musste
von 8 auf 12 mm erhöht werden, was zu einer
Halbierung der lokalen Spannungen
führte. Wäre die konstruktive Anpassung ohne
Simulationen durchgeführt worden, hätte
Eichholz über den Bau eines kostspieligen
Prototypen das Verhalten des Silos testen
müssen. Bei dieser Trial-und-Error-Methode
wäre viel zusätzliche Zeit notwendig gewesen.
Mit den Simulationen und aufgrund
der engen Kooperation zwischen Eichholz,
dem Ingenieurbüro Grote und den Simulationsspezialisten
von Cadfem konnten Kosten
eingespart werden und der Eichholz-Kunde
war in der Lage, alle Silos schneller in Betrieb
zu nehmen.
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Suchwort: Cadfem
AUTOR:
DR.-ING. JAN-PHILIPP
FÜRSTENAU
Applikationsingenieur,
Cadfem
cav 1-2-2023 41