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Vibrationsprüfungen an sicherheitskritischen Ventilen: Zwei Beispiele aus Forschung und Anwendung
(2011)
Ventile für gasförmige Medien müssen neben dem Druck oft auch Vibrationsbelastungen durch ihren Einsatz ertragen.
Die dadurch entstehenden Massenkräfte können die Funktion des Ventils beeinflussen, indem z. B. die Anpresskraft im Ventilsitz dadurch verändert oder die Betätigungseinrichtung verstellt wird. Die schwellenden oder wechselnden Beanspruchungen können auch zu Ermüdungsschäden und damit zu dauerhaftem Funktionsverlust führen.
Bei der Vibrationsprüfung für ein pneumatisch ausgelöstes Schnellöffnungsventil eines CO2-Feuerlöschsystems wurde die relevante EN 12094-4 angewendet. Diese setzt Mindestanforderungen in Hinblick auf die Schwingfestigkeit durch eine Gleitsinusprüfung.
Im Gegensatz dazu steht die im Rahmen eines Forschungsvorhabens durchgeführte Vibrationsprüfung an einem Sicherheitsventil für Tanklastwagen, bei der ein umfangreicheres Prüfprogramm erstellt wurde, um vibrationsabhängiges Ansprechen des Ventils zu untersuchen.
Heavy gases in large quantities are used worldwide in various industries. Past incidents, such as the liquefied gas disaster in Viareggio (2009) have shown that these materials are difficult to handle in a safe manner. According to the German Hazardous Incident Ordinance (StörfallVO 2000 - 12. BIMSchV), plant operators with extended responsibilities must produce a report in which they verify that , in the event of an unintentional gas release, the surrounding area will not be aversely affected. Essential elements of this report are calculations of both the released mass flow and the gas dispersion. Using models such as the VDI guideline 3783 (state of the art in Germany) plant operators are able to predict the characteristics of likely gas dispersions. The presented experimental investigations were carried out at the BAM better understand heavy gas dispersion with high gas concentrations in the air (≥ 1 Vol.-%), as well as concentrations with approximately neutral density characteristics (≤ 3000ppm) in order to test the accuracy of the VDI guideline. The starting point for experimental trials was the heavy gas releases resulting from pipeline, vessel or standard gas bottle leaks, with mass flows of between 20 and 100 g s-1. Investigations on the gas-phase release process focused on the unsteady mass flow associated with releases from standard gas bottles. The experimental results will be used as comparative parameters for future simulations. The goal of these simulations is to develop a model with which calculation of the unsteady mass flow, based on the material characteristics for any gas, is possible.
For differentiating the applicability of various numerical welding Simulation methods as well as unifying the prerequisites and the Steps to be taken in Simulation, normative codes are required for the user. Since any standard-like documents are currently still lacking in this field, DIN German Institute for Standardization has set up the Standards Committee NA 092-00-29-AA "Welding Simulation" dealing with the preparation of respective documents. This committee was initiated in partnership with the joint committee FA 12 "Weld Simulation on Application" of the Research Association of DVS German Welding Society.
The objective of this Standardization work in the field of numerical welding Simulation is to prepare a DIN SPEC with a view to standardizing the approaches to the Simulation of various welding phenomena and processes over the long run. In a draft version of DIN SPEC 32534 that has already been prepared by the above mentioned Committee, the structure of the primary document was stated. The primary document specifies the application fields and the key terms of welding Simulation. In addition, the generally valid Simulation structure has been established which is intended to serve as a recommendation for customers and suppliers in formulating and handling a Service order as well as for persons who Start doing welding Simulation for the first time.
This article focuses on the presentation of the new DIN SPEC 32534-1 explaining the major Simulation Steps. It additionally addresses the Classification of the secondary documents depending on the welding process and on the desired Simulation result. Finally, it gives an overview of the other subject areas dealt with in the Standards Committee NA 092-00-29-AA "Welding Simulation" as well as of the international activities in this field.
Das CargoLifter Ballonkransystem nutzt die Prinzipien der Leichter-als-Luft-Technologie für das Heben von Gütern. Der mit leichtem Gas gefüllte Ballon drängt in der schwereren Luft nach oben und kann somit Lasten anheben. Im Gegensatz zu erdgebundenen Kränen ist für den Luftkran die Beschaffenheit des Bodens sekundär. Der Ballonkran wird an drei Winden verankert und über die im Kranknotenpunkt zusammengeführten Seile präzise gesteuert. Beim Heben und Versetzen verbleibt die Last unter dem Ballon, der stets 100% seiner Hubkraft auch bis zu 200m Höhe und selbst weiterem Versatz behält. Reichweite bedeutet beim CargoLifter Ballonkransystem statt mehr Ausleger mehr Seil.
Für Polypropylen unterschiedlicher Stabilisierung wurden in künstlichen Bestrahlungstests sowohl die spektrale Empfindlichkeit als auch die Temperaturabhängigkeit der Rissbildung quantitativ ermittelt. Dafür wurde die Dauer bis zur Rissbildung sowohl bei spektraler Bestrahlung als auch bei Bestrahlung in einem UV-Leuchtstofflampengerät bei verschiedenen Temperaturen bestimmt.
Die Temperaturabhängigkeit konnte als Arrhenius-Abhängigkeit beschrieben werden; das Wirkungsspektrum wurde an eine Stufenfunktion angepasst. Anschließend wurde auch noch der Einfluss des Stabilisatorgehalts als Potenzfit parametrisiert. Die Einzelabhängigkeiten wurden zu einer Gesamtfunktion der Wirkungen in Abhängigkeit der Dosis zusammengesetzt, die es ermöglicht die Wirkungen unterschiedlicher Dosiskombinationen abzuschätzen.
Zur Validierung der Dosis-Wirkungsfunktionen wurden Freibewitterungsergebnisse aus Phoenix/Arizona herangezogen. Mit der Dosis, die sich aus den Wetterdaten dieser Freibewitterung ergibt, wurden anhand der Dosis-Wirkungs-Funktionen die jeweiligen Lebensdauern errechnet und mit dem experimentell bestimmten Versagen in der Freibewitterung verglichen.
Die Arbeiten erfolgten im Rahmen des ViPQuali-Projektes mit dem Ziel der Bestimmung der Materialkenngrößen.
With CO2 being one reason for climate change carbon capture and storage (CCS) is discussed to mitigate climate change. When emission gases are compressed into deep geological layers CO2-corrosion can easily cause failure of injection pipes. Different steels 42CrMo4, X46Cr13 and X20Cr13 were tested as well as X35CrMo17 and X5CrNiCuNb16-4 in a laboratory Environment similar to the conditions of the CCS engineering site at the Northern German Bassin. Samples were exposed to synthetic aquifer water saturated with technical CO2 at a flow rate of 3 NL/h.
Corrosion rates obtained via mass loss vary in a wide range (0,005 to 2.5 mm/year). The precipitations within the corrosion scale revealed a complicated multiphase layer containing siderite FeCO3, goethite α-FeOOH, lepidocrocite γ-FeOOH, mackinawite FeS and akaganeite Fe8O8(OH)8Cl1,34 and spinelphases of various compositions.
Beside such well approved residues like fly ash, blast fumace slag, silica fume and crushed concrete orbrick, other materials, like waste incineration bottom ash, steel slag, biomass ash, industrial sludge or mixed demolition waste, bear the potential to be used in high-grade mineral building materials. However, sophisticated Processing technologies and progressive applications ofthe waste products are needed. The material efficiency has to be improved by further R&D activities. This paper Shows the activities ofthe working group “Saving Resources by Material Recycling” and presents research about the use of residues from industry, incineration processes and deconstruction for the production of high-grade mineral building materials.
Für die Vorhersage der Containment Sicherheit beim Bersten von Laufrädern in Abgasturboladern müssen zum einen komplexe Verformungs- und Schädigungsvorgänge bei dynamischer Belastung einschließlich ihrer Temperaturabhängigkeit mit geeigneten Versuchen erfasst und gemessen werden, zum anderen müssen diese temperatur- und dehnratenabhängigen Kennwerte in weiterentwickelten Materialmodellen für das Verformungs- und Schädigungsverhalten abgebildet werden.
Im Rahmen dieses Vorhabens wurden drei Gusswerkstoffe untersucht. Für den Gusswerkstoff mit Kugelgrafit EN-GJS-400 wurden die weitestgehenden experimentellen Untersuchungen zur Charakterisierung des Materialverhaltens unter ein- und mehrachsigem Zug sowie unter Druck- und Scherbeanspruchung für ein breites Spektrum von Beanspruchungsgeschwindigkeiten und Temperaturen durchgeführt. Die Untersuchungen an den beiden weiteren Werkstoffen erfolgten mit auf der Basis der gewonnen Erkenntnisse optimiertem Aufwand. Der Schwerpunkt der Arbeiten lag dabei im Bereich hoher Beanspruchungsgeschwindigkeiten und höherer Temperaturen sowie deren Kombination.
Für die numerische Modellierung der Containment Sicherheit von ATLs wurde ein vorhandenes Materialmodell weiterentwickelt, so dass es in der Lage ist, das Verformungs- und Versagensverhalten von Gusswerkstoffen, wie z.B. den Zug-Druck-Unterschied, in Abhängigkeit von Spannungsmehrachsigkeit, Temperatur und Dehnrate auch für große plastische Deformationen zu beschreiben. Die Modellparameter wurden durch numerische Simulation von Experimenten an Proben bestimmt. Das Modell wurde in ein kommerzielles Finite-Elemente-Programm mit expliziter Integration implementiert und ist in der jetzigen Version auf FE-Modelle mit Volumenelementen beschränkt.
Das Materialmodell wurde im Rahmen dieses Vorhabens zunächst zur numerischen Simulation von Experimenten an gekerbten Proben unter Biegebelastung angewendet. In einem zweiten Schritt erfolgte die Verifikation des Bauteilverhaltens durch numerische Simulation der hochdynamischen Beschussversuche. Da in diesem Vorhaben das Materialverhalten jedoch nur für das Containment und nicht auch für den Rotor des ATLs untersucht wurde, hat man für das Projektil und das Bauteil den gleichen Werkstoff verwendet. Die Belastung in diesen Beschussversuchen ist vergleichbar mit dem Aufprall eines Rotorfragments auf das Containment des Abgasturboladers. Abschließend wurde die numerische Simulation eines Containment Tests an einem Abgasturbolader durchgeführt.
Die Nachrechnung dieser Experimente ist somit als ein Nachweis der Prognosefähigkeit des Materialmodells anzusehen. Numerische Stabilität der Userroutine konnte erreicht und eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen erzielt werden.
The notched impact strength at -30 °C is one of the selected properties, together with the corresponding test method and tolerances, for a comparison of polyethylene grades of one design type in the procedural rule on suitability proof for alternative plastic resins used for packagings and intermediate bulk containers (IBCs) for the transport of dangerous goods.
The marginal drop heights determined with the drop test at -18 °C after pre-storage of the test samples with 55 % nitric acid at 40 °C only partly related to the notched impact strength at -30 °C. The Charpy method is only suitable for classifying the grade in relation to toughness behavior and using this classification for comparison with other grades. Notched impact strength can provide a qualitative indication if the test samples fail under shock forces.
Conditioning the design types with 55 % nitric acid for 21 days at 40 °C causes an increase in the marginal drop heights of the design types in drop tests at -18 °C when compared with design types without pre-storage. Post-crosslinking of the grades increases stiffness because of the acidic influence.
For the design of gas explosion venting systems for confinements only little guidance is given when considering the constructional boundary conditions or process conditions. For this reason conservative assumptions are prevalent in practice and in many cases the protective Systems become significantly oversized. Such safety margins in venting areas can lead to a critical acceleration of the pressure rise. Finally, a gas explosion at turbulent conditions caused by oversizing of the venting area rather leads to an under-sized system and supports the deflagration to detonation transition (DDT). The present investigation was focused especially on the influence of certain obstacles as well as the effect of the initial pressures on the explosion venting behavior of methane-air-mixtures and of hydrogen-air-mixtures.
Ultrashort pulses lasers are tools of choice for functionalizing the bulk of transparent materials. In particular, direct photoinscription of simple photonic functions have been demonstrated. Those elementary functions rely on the local refractive index change induced when focusing an ultrashort pulse in the volume of a transparent material. The range of possibilities offered by direct photoinscription is still under investigation. To help understanding, optimizing and assessing the full potential of this method, we developed a time-resolved phase contrast microscopy setup. The imaginary part (absorption) and the real part of the laser-induced complex refractive index can be visualized in the irradiated region. The setup is based on a commercially available phase contrast microscope extended into a pump-probe scheme. The originality of our approach is that the illumination is performed by using a pulsed laser source (i.e. a probe beam). Speckle-related issues are solved by employing adequate sets of diffusers. This laser-microscopy technique has a spatial resolution of 650 nm, and the impulse response is about 300 fs. The laser-induced refractive index changes can be tracked up to milliseconds after the energy deposition. The excitation beam (the pump) is focused with a microscope objective (numerical aperture of 0.45) into the bulk of an a-SiO2 sample. The pump beam can be temporally shaped with a SLM-based pulse shaping unit. This additional degree of flexibility allows for observing different interaction regimes. For instance, bulk material processing with femtosecond and picosecond duration pulses will be studied.
Der Fachbeirat beschloss im vergangenen Jahr Zulassungsrichtlinien für Kunststoffdichtungsbahnen, Schutzschichten, Kunststoff-Dränelemente und Geotextilien zum Filtern und Trennen und eine Richtlinie über Anforderungen an Verlegefachbetriebe, die von seinen Arbeitsgruppen vorbereitet worden waren, und nunmehr die Grundlage für die Zulassungstätigkeit bilden. In diesem Beitrag wird im Anschluss an die Ausführungen auf der letzten Fachtagung kurz über wesentliche Anforderungen und Zulassungsvoraussetzungen berichtet. Noch nicht verabschiedet sind die Richtlinien für Dichtungskontrollsysteme und Bewehrungsgitter aus Kunststoff. Auf den Diskussionsstand bei den Anforderungen an die Bewehrungsgitter wird etwas ausführlicher eingegangen, da sich neben den materialtechnischen auch bemessungstechnische Probleme ergeben.
Die Nutzung des Wertstoffpotentials von Abfällen und Reststoffen ist ein Grundpfeiler im Schutz von natürlichen Ressourcen. Dabei ist der Aufbau und Erhalt von Stoffkreisläufen im Baubereich - aufgrund der großen Menge an Baurestmassen - von besonderer Ressourcenrelevanz. Während in Zukunft im Sinne der Nachhaltigkeit schon bei der Errichtung von Gebäuden auch auf Möglichkeiten zur Stoffstromtrennung beim Rückbau geachtet werden sollte, sind die heute rückzubauenden Bauwerke nicht unter diesem Gesichtspunkt errichtet worden.
The formation of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) upon irradiation of semiconductors and dielectrics by linearly polarized high-intensity Ti:sapphire fs-laser pulses (τ ~100 fs, λ ~800 nm) is studied experimentally and theoretically. In the experiments, two different types of LIPSS exhibiting very different spatial periods are observed (socalled LSFL low spatial frequency LIPSS, and HSFL - high spatial frequency LIPSS), both having a different dependence on the incident laser fluence and pulse number per spot. The experimental results are analyzed by means of a new theoretical approach, which combines the generally accepted LIPSS theory of J. E. Sipe and co-workers [Phys. Rev. B 27, 1141-1154 (1983)] with a Drude model, in order to account for transient changes of the optical properties of the irradiated materials. The joint Sipe-Drude model is capable of explaining numerous aspects of fs-LIPSS formation, i.e., the orientation of the LIPSS, their fluence dependence as well as their spatial periods. The latter aspect is specifically demonstrated for silicon crystals, which show experimental LSFL periods Λ somewhat smaller than λ. This behaviour is caused by the excitation of surface plasmon polaritons, SPP, (once the initially semiconducting material turns to a metallic state upon formation of a dense free-electron-plasma in the material) and the subsequent interference between its electrical fields with that of the incident laser beam, resulting in a spatially modulated energy deposition at the surface.
Upon multi-pulse irradiation, a feedback mechanism, caused by the redshift of the resonance in a grating-assisted SPP excitation, is further reducing the LSFL spatial periods. The SPP-based mechanism of LSFL successfully explains the remarkably large range of LSFL periods between ~0.6 λ and λ.
In the frame of the European harmonization, new European technical standards (Eurocodes) have been developed in recent years. Classical methods, like tables and simplified analytical procedures, as well as general engineering techniques are allowed by the Eurocodes for the fire protection design. The modeling and calculation of fire scenarios with CFD (Computational Fluid Dynamics) numerical methods is one of the general engineering methods. It is nowadays still difficult to check and evaluate the CFD results for their use as technical documents for fire safety design.
Analytical engineering techniques, zone models and CFD-models have been used and compared in the present work for the prediction of the fire development in a building.
To solve the conservation equation for the CFD-model, the CFD-program FDS, with the mixture fraction model, and the CFD-program FLUENT, with the one step reaction model as well as with the volumetric source term model, have been used.
The combustion of polyurethane is modeled in FDS by specifying the heat release rate and the stoichiometry. For the combustion in volumetric source term model, the heat release rate and the smoke release were specified with respect to the stoichiometry. The input parameter for the one step reaction model is the pyrolysis mass flow.
In the one step reaction model, the transport equations for polyurethane, H₂O, N₂, O₂, CO₂, CO and C (soot) are solved and the heat of combustion is determined from the standard formation enthalpy of all the components. In volumetric source term model, the transport equation is solved for air and smoke. FDS solves the transport equation for the mixture fraction.
To model the fire development, and where no literature data was available, the required material characteristics like specific heat capacity, absorption coefficient and heat of combustion were measured.
In all the investigated CFD-models the heat- and species transport equation has been solved and the absorption coefficient of soot has been considered.
Furthermore, the fire development has also been investigated using zone models with the programs CFAST and MRFC.
Results from analytical engineering techniques (plume calculations), which were design criteria in the past, have been used as plausibility checks for the present work. The calculation results from the investigations were compared to measurements in the same building performed by the National Institute for Standards and Technology (NIST).
Die Oberflächenrauheit eines Bauteils ist eine wichtige Kenngröße für zahlreiche seiner Eigenschaften. Der im Bauwesen übliche Rauheitsparameter ist die Rautiefe Rt bzw. MTD, die durch volumetrische Verfahren (Sandflächenverfahren) ermittelt wird und in zahlreichen Normen Verwendung findet. Laserbasierte Verfahren müssen deshalb eine Umrechnung der aus Oberflächenprofilen gewonnenen Informationen in Rt bzw. MTD ermöglichen. Hierzu wird i.A. ein empirischer Zusammenhang zwischen Parametern zur Beschreibung des Profils und der Rautiefe der entsprechenden Oberfläche verwendet. Der Aufsatz stellt verschiedene Rauheitsdefinitionen vor und vergleicht sie miteinander. Es wird ferner gezeigt, dass die nach verschiedenen Prüfvorschriften ermittelten Rautiefen voneinander abweichen. Das Vorgehen bei der Ermittlung des Zusammenhangs zwischen Profilparametern und Rautiefen nach einem volumetrischen Verfahren wird demonstriert und der Stand der laufenden Entwicklung eines Prüfgeräts auf Basis eines Linienlasers vorgestellt.
The non-uniform heat input during the welding process leads to problematic permanent deformations of welded parts. The control of these welding distortions is, with the absence of the knowledge of the fundamental mechanisms responsible for these deformations, an extremely time and cost consuming iterative “trial-and-error” optimization process. The visualization of the involved physical phenomena, like temperature and distortions, .is an indispensable tool to clearly identify these mechanisms in order to adapt the welding parameters and clamping conditions target-oriented. Both experimental and virtual methods exist to obtain these physical data, however the possibilities to visualize them with experimental methods are laborious, expensive and limited in their application. Welding Simulation using finite element analysis (FEA) offers many benefits and has a great potential to reduce the experimental effort. Nevertheless, the industrial application of welding Simulation is not yet established widely because of reservations regarding the computation costs and the resulting accuracy for instance. In this paper, the results of a case study for a welding Simulation with an industrial background are presented. A welded assembly from the automotive industry has been investigated with numerical and experimental methods. A comparison between both methods demonstrates the Potentials of welding Simulation in terms of visualization. Furthermore, the numerical results reveal the possibilities of current resources. regarding calculation time and result accuracy of an industrial applied welding Simulation.
Mechanische Belastung wie z. B. der Rollkontakt zwischen den Rollen und Lagerringen eines Wälzlagers oder der Rad-Schiene-Kontakt bei der Eisenbahn führen bei ferritischen Stählen zu einer Aufhärtung der Oberfläche. Die mit der Aufhärtung verbundene Versprödung begünstigt die Entstehung von Ermüdungsrissen. Zur Risstiefenbestimmung mit dem Wirbelstromprüfverfahren werden in der Regel Kalibrierkörper mit künstlichen Testfehlern aus dem Grundwerkstoff des Prüfteils verwendet. Die betriebsbedingte Aufhärtung der Prüfteiloberfläche bleibt bei der Kalibrierung unberücksichtigt. Die lokale Aufhärtung der Oberfläche führt zu einem ortsabhängigen Offset des Wirbelstromsignals in Richtung der Rissanzeigen und somit zu einer Überbewertung der Risstiefe. Bei einzelnen Rissen lässt sich der Effekt kompensieren, in dem das Wirbelstromgerät neben jedem Riss abgeglichen bzw. die Differenz zwischen dem Offset und der Rissanzeige berechnet wird. In der Realität liegen die Ermüdungsrisse jedoch oft so dicht nebeneinander, dass auf Grund der Überlagerung benachbarter Rissanzeigen weder ein Abgleich zwischen den Rissen noch eine Bestimmung des Offsets möglich ist. Finite-Elemente-Berechnungen ermöglichen es, die in der Realität stets kombiniert auftretenden Wirbelstromsignale der Ermüdungsrisse und der Oberflächenaufhärtung getrennt zu simulieren, um Erkenntnisse für eine Verbesserung der Risstiefenbestimmung zu erlangen.