DRESDYN Entwicklung der Forschungsanlage für große Experimente mit flüssigem Natrium

Transkript

1 DRESDYN Entwicklung der Forschungsanlage für große Experimente mit flüssigem Natrium Dipl.-Ing. Anton Melnikov SBS Bühnentechnik GmbH 8. SAXSIM Chemnitz,

2 Inhalt 1. Einleitung Dynamoeffekt DRESDYN 2. Lasten Lastfälle Dynamik Schnittreaktionen 3. Modelle und Festigkeitsnachweis Schwenkvorrichtung Grundgestell Verriegelung 4. Zusammenfassung und Ausblick SAXSIM 2016

3 Einleitung Dynamoeffekt Erzeugung von Magnetfeldern in elektrisch leitenden Fluiden Beschreibung der Magnetfelder astronomischer Objekte (auch Erde) möglich Magnetfeld der Erde Taumeln der Erdachse Rotation um die Erdachse: 1 o 24h [1] Platonisches Jahr (Präzession): p a Präzessionsgetriebener Dynamo [1]

4 Einleitung DRESDYN: Auftraggeber: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf [2] DREsden Sodium facility for DYNamo and thermohydraulic studies Forschungsanlage für große Experimente mit flüssigem Natrium [2]

5 Einleitung Anlagenstruktur Grundidee ähnl. Kardanisches Gehänge [3] Behälter (rotierend) Schwenkrahmen (schwenkend) Schwenkgestell (präzedierend) Grundgestell (fixiert)

6 Einleitung Eckdaten DRESDYN: Rotation des Behälters f R 10 Hz R 62,832 1 Präzession der Plattform f P 1 Hz s P R P 6, Schwenkwinkel der Rot.-Achse s 9 m Flüssiger Natriumkern (Zylinder) d cyl 2 m l cyl 2 m Na d cyl m Na 8000 kg T Na C l cyl

7 Lasten Lasten im System Eigenmasse Starre Dynamik Natriumströmung Temperatur Lastfälle Präzessionsraten Schwenkwinkel Temperaturen Betriebsstunden Lastfall Beschreibung Schwenkwinkel Rotationsfrequenz f R Präzessionsfrequenz f P Präzessionsrate ŋ (zur Berechnung) min. T Natrium max. T Natrium Betriebsstunden Experimentieranteil in % 1 Experiment Hz bis 8.5Hz min. bis 0,1Hz 0, C 170 C 100h 7,14 2 Experiment Hz bis 8.5Hz >0,1Hz bis 0,3Hz 0, C 170 C 100h 7,14 3 Experiment Hz bis 8.5Hz >0,3Hz bis 0,4Hz 0, C 170 C 150h 10,71 4 Experiment Hz bis 8.5Hz >0,4Hz bis 0,5Hz 0, C 170 C 200h 14,29 5 Experiment Hz bis 8.5Hz >0,5Hz bis 0,7Hz 0, C 170 C 200h 14,29 6 Experiment Hz bis 8.5Hz >0,7Hz bis 0,8Hz 0, C 170 C 200h 14,29 7 Experiment Hz bis 8.5Hz >0,8Hz bis 1Hz 0, C 170 C 150h 10,71 8 Experiment >5Hz bis 7Hz min. bis 1Hz 0, C 170 C 200h 14,29 9 Experiment >3Hz bis 5Hz min. bis 1Hz 0, C 170 C 60h 4,29 10 Experiment bis 3Hz min. bis 1Hz 0, C 170 C 40h 2,86 11 Spülen Hz 0,1Hz 0, C 300 C 300h Gesamtstunden 1700h 100

8 Lasten Starre Dynamik Gyroskopisches Moment Fliehkräfte / Unwucht NEWTON-EULERsche Gleichungen: [3] Starre MKS MBSim (Open Source) Prof. Dr.-Ing. Martin Förg HAW Landshut

9 Lasten Behälterlagerung Fest-/Loslager Lastwechselperiode T Periode 0, 1 s Maximale Drehzahlen 90 Achsstellung Komponenten in [N] F Festlager, X Festlager Loslager F Festlager, Y F Festlager, Z F LoslagerY, F Loslager, Z

10 Lasten Großwälzlager für Präzession Kräfte und Momente bei maximalen Drehzahlen Periode T Periode 1 s Komponenten F [ N] M [ Nm] F GWL, X F GWL, Y F GWL, Z M GWL, X M GWL, Y M GWL, Z

11 Lasten Natriumströmung Druckfeld infolge Strömung Mittels CFD berechnet (HZDR) Fliehkraft und gyroskopische Anteile Bei höheren Drehzahlen Übergang zu turbulenten Strömung (s. Wasserexperiment HZDR) Laminar berechnet (konservativ) Skalierter Prototyp Maßstab 1:10 f R 10 Hz f P 1 Hz f R 10 Hz f P 0, 5 Hz f R 10 Hz f P 0, 1 Hz

12 Modelle und Festigkeitsnachweis Modelle Schwenkvorrichtung Grundgestell Verriegelung Festigkeitsnachweis FKM-Richtlinie 6. Auflage 2012 Örtliche Spannungen Statisch und zyklisch Geschweißt und nichtgeschweißt Kein Branchenbezug [4]

13 Modelle und Festigkeitsnachweis Schwenkvorrichtung Knoten Linear Statisch Eigenfrequenzen >10 Hz 20 Lastschritte pro Periode

14 Modelle und Festigkeitsnachweis Globale FKM-Auswertung über MathCad Spannungstensoren mit SVECTORS direkt aus der Workbench über TXT oder XLS exportieren In MathCad einlesen, Lastfälle verrechnen und FKM anwenden Auslastungsgrade über External Data einlesen (z.b. als Temperatur) [5]

15 Modelle und Festigkeitsnachweis Auslastungsgrade Submodell Zyklisch Statisch Submodell

16 Modelle und Festigkeitsnachweis Auswertung mittels MathCad Vorteile Preisgünstige Lösung Schult Verständnis im Umgang mit ANSYS Workbench MathCad FKM-Richtlinie Nachteile Schweißnähte nicht gelöst Keine Berücksichtigung von Spannungsgradienten Zeitaufwändiger Export Bei sehr vielen Lastfällen interner Speicherüberlauf im MathCad

17 Modelle und Festigkeitsnachweis Grundgestell Knoten Linear Statisch Eigenfrequenzen >10 Hz 200 Lastschritte pro Periode

18 Modelle und Festigkeitsnachweis FKM inside ANSYS ACT Extension von CADFEM Vollflächiger richtlinienkonformer Festigkeitsnachweis von nicht geschweißten Volumenbauteilen nach FKM Festigkeitsnachweis von Schweißnähten an Schalenstrukturen nach FKM Fest in ANSYS integriert [6]

19 Modelle und Festigkeitsnachweis Nachweis nichtgeschweißter Bauteile

20 Modelle und Festigkeitsnachweis Nachweis geschweißter Bauteile Schalenmodell

21 Modelle und Festigkeitsnachweis FKM inside ANSYS Vorteile: Sehr schnelle Auswertung ohne Verlassen der Workbench Sehr gute Plots schnell ableitbar Geschweißte und nichtgeschweißte Bauteile 200+ Lastfälle sind kein Problem Nachteile: Investitionsbereitschaft notwendig Nachweise nichtgeschweißter Teile nur an Volumenmodellen Nachweise der Schweißnähte nur an Schalenmodellen

22 Modelle und Festigkeitsnachweis Verriegelungseinrichtung Knoten NL-Kontakte Statisch 10 Lastschritte pro Periode Kräfte am eingespannten Objekt [N]

23 Modelle und Festigkeitsnachweis Versuchsstand Die vier Verriegelungen nehmen die gesamte Systemlast auf Hohe Auslastung des Werkstoffes Durch Kontakte und Reibung Unsicherheiten im Modell Zusätzliche Validierung der Modelle mit Hilfe der DMS Teststand im Maßstab 1:10

24 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Ausblick Entwicklungsprozess von DRESDYN ohne Einsatz von FEM und MKS kaum denkbar Globale richtlinienkonforme Auswertung spart Zeit und Geld CAE ersetzt nicht das Experiment Geplante Fertigstellung von DRESDYN in 2018 Anwendung der gewonnen Kenntnisse und angeschafften Werkzeuge auf weitere anspruchsvolle Projekte

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Referenzen: [1] Lin, Y.: Experimental and Numerical Study of Precession and Libration Driven Flows in Planetary Cores, 2015, Zürich [2] hzdr.de, Stand [3] Müller, P. u.a.: Übungsbuch Physik, 2007, Leipzig [4] fkm-net.de/fkm-richtlinien/, Stand [5] trainingcivil.com, Stand [6] cadfem.de, Stand