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Berechnung Kunststoffbehälter

Messung von Werkstoffkennwerten des Kunststoffs hinsichtlich nichtlinearem Verhalten, plastischem Verhalten und Kriechen für aussagefähige virtuelle Prototypen. 

Merkle Partner Berechnung Kunststoffbehaelter

Einleitung

Das Verhalten von Kunststoffen und die rechnerische Beschreibung ist nicht trivial. Geht man von einem linearelastischen Verhalten aus, mag das bei einigen Kunststoffen mit Glasfaseranteil wie PA6 GF30 noch einigermaßen passen, bei einem Werkstoff wie PE-LLD, wie er z.B. bei Abwasserbehältern eingesetzt werden, trifft dies nicht mehr zu. 

Neben der Nichtlinearität des Werkstoffverhaltens muss zudem das geometrisch nichtlineare Verhalten berücksichtigt werden. Tabellenwerte aus herkömmlichen Datenbanken wie Campus sind hier oft nicht mehr ausreichend. Kommt zeitlich nichtlineares Verhalten wie Kriechen und Relaxation hinzu, sind oft Messungen an Proben des verwendeten Werkstoffs notwendig, um gute Simulationen durchführen zu können. 

Aufgabenstellung / Berechnung

Der Behälter der Neuentwicklung einer Abwasserhebeanlage sollte optimiert werden. Neben der Druckbelastung von 0,5 bar Überdruck kommt es durch die Erwärmung bei warmem Abwasser zu Kriecheffekten. Diese führen möglicherweise dazu, dass sich die Verschraubungen lösen können bzw. der Behälter undicht wird. 

Die Herstellung des Behälters erfolgt im Schleuderverfahren, so dass die Wanddicken einer gewissen Toleranz unterworfen sind. Versuche setzen voraus, dass entsprechende Formen gebaut werden müssen. Daher sollte ein simulationsgetriebener Entwicklungsansatz gewählt werden. Die Werkstoffkennwerte wurden an entsprechenden Proben bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen und mit Materialmodellen gefittet. Merkle & Partner koordinierte dabei die Versuche an entsprechenden Prüfinstituten. Ebenso wurden mit dem Abgleich von Versuchsergebnissen Schadenskriterien entwickelt. Die Berechnung der Vorgängermodelle wurden mit Versuchsergebnissen abgeglichen und zeigten auch für den Berstlastfall eine sehr gute Übereinstimmung. 

Ergebnis

Die Nachrechnung der Vorgängervariante zeigte eine gute bis sehr gute Übereinstimmung der Berstversuche und der Zeitstandsversuche. Beim Berstversuch wurde sowohl der Berstdruck als auch das Schadensbild sehr gut getroffen. Die Zeitstandsuntersuchungen bei erhöhten Temperaturen ergaben ebenfalls ausreichend gute Übereinstimmungen. 

Die Neuentwicklung konnte nun ohne aufwändige Prototypenschleifen auf Basis von Simulationsvarianten durchgeführt werden. Die abschließenden Versuche am finalen Behältern ergab, dass alle Anforderungen erfüllt werden konnten. Die Simulation hat somit dazu beigetragen, diese und zukünftige Entwicklungen wesentlich schneller durchzuführen und damit Zeit und Kosten zu sparen. 

Stichworte

  • Abwasserbehälter 
  • Berstlast 
  • Berstversuch 
  • Geometrisch nichtlineares Verhalten 
  • Kriechen 
  • Kunststoff 
  • Nichtlineares Verhalten 
  • PE-LLD 
  • Schadenskriterium 
  • Simulation 
  • Temperaturabhängigkeit 
  • Relaxation 
  • Versuch 
  • Zeitstandsfestigkeit 

Mit freundlicher Genehmigung der KSB Pegnitz 

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