DE102015115409A1

DE102015115409A1 - Verfahren zur Gestaltung von fluiddurchströmten Bauteilen

Info

Publication number: DE102015115409A1
Application number: DE102015115409.9A
Authority: DE
Inventors: Wei Fu; Tianxiang LIU
Original assignee: Choren Industrietechnik GmbH; Choren Industries GmbH
Current assignee: Choren Industrietechnik GmbH; Choren Industries GmbH
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2017-01-12
Also published as: CN106339522A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gestaltung von fluiddurchströmten Bauteilen mit Fluidräumen und einer die Fluidräume umschließenden Festkörperstruktur mittels CAE, insbesondere unter Verwendung von Strömungssimulationsmodellen, Festkörpersimulationsmodellen und CAD. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine effizientere Konstruktions- und Fertigungsweise die Einschränkungen des konventionellen Konstruierens und Fertigens zu überwinden und damit nicht nur die fertigungstechnischen Anforderungen an ein Bauteil, sondern auch die prozessbezogenen Anforderungen an eine optimale Medienführung zu erfüllen. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Gestaltung von fluiddurchströmten Bauteilen erfolgt ausgehend vom Bauraum und von Randbedingungen an der Bauteilgrenze mittels Strömungssimulation eine Optimierung der Topologie der Fluidräume und darauf basierend wird die Festkörperstruktur des Bauteiles zur Realisierung der Fluidräume mit Hilfe von Festkörpersimulationsmodellen und unter Berücksichtigung von verwendungsbezogenen Anforderungen, Konstruktionsregeln und Gestaltungsregeln des Fertigungsverfahrens nach dem Revers-Engineering-Prinzip ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gestaltung von fluiddurchströmten Bauteilen mit Fluidräumen und einer die Fluidräume umschließenden Festkörperstruktur mittels rechnergestützter technischer Arbeitsprozesse, nachfolgend als Computer-Aided Enineering – CAE bezeichnet, wobei Methoden des CAE zur Gestaltung einer Bauteil-Topologie verwendet werden. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren, welches dafür Strömungssimulationsmodelle, beispielsweise rechnergestützte fluiddynamische Simulationen (CFD), Festkörpersimulationsmodelle, beispielsweise die Finite-Elemente-Methode (FEM) und rechnergestützte Konstruktion (Computer-Aided Design – CAD) kombiniert.
Unter fluiddurchströmten Bauteilen werden Bauteile und Bauteilkomponenten im Maschinen- und Anlagenbau zusammengefasst, die insbesondere der Förderung, Verteilung, Zusammenführung, Mischung usw. von bewegten Fluiden (Flüssigkeiten, Gasen) und Mehrphasenströmungen, beispielsweise von Feststoff-Gas-Strömen, dienen.
Im Maschinen- und Anlagenbau sind Bauteile unterschiedlichsten Anforderungen an ihre mechanischen, thermischen oder fluiddynamischen Eigenschaften ausgesetzt. Aus diesem Grund müssen die Bauteileigenschaften, d.h. dessen Struktur (Topologie) und Materialeigenschaften, in unterschiedlicher Weise auf die Anforderungen am Einsatzort abgestimmt werden.
Eine konventionelle Gestaltung (Design) solcher Bauteile, die von fertigungstechnisch traditionellen Verfahren, wie Trennen, Fräsen, Walzen, Bohren oder Schweißen, und der Kombination einfach herstellbarer geometrischer Grundformen für die einzelnen Bauteilkomponenten ausgeht („mechanisches Design“), stößt dabei schnell an Grenzen in den Fällen, bei denen beispielsweise neben den mechanischen und/oder thermischen Beanspruchungen des Bauteiles gleichzeitig auch eine strömungsmechanisch optimale Fluidführung zu berücksichtigen ist. In diesen Fällen sind die Anforderungen an eine optimale Bauteilgestaltung besonders komplex.
Für die herkömmliche Vorgehensweise beim Bauteildesign ist es charakteristisch, dass die Geometrie jeder Bauteilkomponente fertigungsbezogen und für sich festgelegt wird und dann die Anpassung der einzelnen Komponenten für deren Montage zum Bauteil erfolgt. Eine solche Methode birgt in sich das Risiko, dass sie zu fluiddynamischen Nachteilen führt, beispielsweise zu Strömungsdeformationen, Turbulenzen, Vibrationen oder Druckverlusten.
Ein Beispiel für ein fluiddurchströmtes Bauteil mit hoher mechanischer und thermischer Beanspruchung ist ein Staubbrenner für die autotherme Flugstromvergasung von festen feindispersen Brennstoffen, beispielsweise Kohlestaub, zur Herstellung von Synthesegas.
In den Staubbrennern werden zumindest Kohlestaub, Sauerstoff und gegebenenfalls Wasserdampf in üblicherweise konzentrischen Ringkanälen dem Reaktionsraum zugeführt, um beim Austritt aus dem Brennermund intensiv vermischt und unter reduzierenden Bedingungen in der Flammenzone und anschließenden Reaktionszone zu einem Wassestoff- und Kohlendioxidreichen Synthesegas zu reagieren. Der Kohlestaub wird pneumatisch als Kohlenstaub-Fördergas-Dichtstrom oder hydraulisch in einer Suspension („slurry“) dem Vergasungsbrenner zugeführt. Einen derartigen Vergasungsreaktor zeigt beispielsweise die DE 41 09 231 C2 .
Die Vergasungstemperatur beträgt bei der Vergasung von Kohlestaub zwischen 1400°C und 1700°C, der Vergasungsdruck 40 bis 80 bar. Die hohen Temperaturen im Bereich des Brennermundes, die abrasive Wirkung des Kohlestaubes und die Erfordernisse eines störungsfreien Betriebes von Staubbrennern stellen höchste Anforderungen an die Brennerkonstruktion.
Zur Kühlung der thermisch besonders beanspruchten Brennerbauteile am Brennermund sind häufig Kühlkanäle vorgesehen, die zusätzlichen Bauraum beanspruchen, den Brenneraufbau noch komplizierter gestalten und zusätzliche thermische Spannungen induzieren.
Die Medienzuführungen und die Medienkanäle zum Brennermund sind infolge der Vielzahl der zuzuführenden Medien und der extremen Umgebungsbedingungen sehr komplex gestaltet und deshalb strömungsmechanisch und thermodynamisch auf konventionelle Weise nicht optimal gestaltbar.
Um zu verbesserten Designkonzepten zu gelangen, werden zunehmend rechnergestützte Entwicklungsmethoden des CAE erfolgreich einbezogen. CAE umfasst alle Varianten der Rechnerunterstützung von Arbeitsprozessen auf technischem Gebiet, beispielsweise Diskretisierungssoftware, FEM, CFD oder CAD.
Mit Hilfe von FEM-Simulationen können beispielsweise Spannungs-, Deformations- und Dehnungsverläufe für eine Festigkeitsanalyse ermittelt werden. Die Finite-Elemente-Methode (FEM) ist ein numerisches Verfahren zur Lösung von partiellen Differentialgleichungen. Neben klassischen Festigkeitsberechnungen unter verschiedenen Krafteinwirkungen können auch Temperatur- und Spannungsverläufe oder dynamische Prozesse in einem Festkörper mittels FEM-Simulation in die Bauteiloptimierung einbezogen werden. Dabei wird das Bauteil mit Hilfe einer Netzstruktur in endlich viele (finite) einzelne Teilgebiete (Elemente) zerlegt. Zur Diskretisierung eines dreidimensionalen Gebietes werden Tetraeder-, Quader- oder auch krummflächig begrenzte Elemente an das Objekt angepasst. Mit CFD-Modellen (Computational Fluid Dynamics) können rechnergestützt fluiddynamische Simulationen auf der Basis strömungsmechanischer Gesetze durchgeführt werden, um das Strömungsverhalten der Fluide (Strömungsprofile, Druckverluste, Geschwindigkeiten etc.) und die zwischen Festkörpern und Fluiden übertragenen Wärmeströme zu ermitteln.
Wenn die vorstehend beschriebenen Methoden im Rahmen der mechanischen Designmethode benutzt werden, bestehen grundsätzliche Schwierigkeiten bei der Gestaltung der topologischen Struktur und der Optimierung der Fluidströmung innerhalb der vorgegebenen Bauteilstrukturen fort.
Probleme bei der FE-Analyse:

– Eine Designmethode, welche zunächst Teilmodelle für die Bauteilkomponenten erstellt und dann zu einem Gesamtmodell für das Bauteil kombiniert, wird in der Regel Überlappungen der Modellflächen und Redundanzen der Daten produzieren. Dieses Problem kann zu Schwierigkeiten bei der erfolgreichen Erzeugung der Finite-Elemente-Netze für weitere Analysen und bei der Gewährleistung der Kontinuität des Strömungsfeldes führen.
– Die Generierung der FE-Netze kann nicht automatisch die glatte Oberflächengeometrie aus dem Designprozess übernehmen, so dass Abweichungen bei der mechanischen und fluiddynamischen Modellierung die Leistungsfähigkeit des entwickelten Modells beeinträchtigen können.
– Die Randbedingungen aufgrund der Fluidströmungen innerhalb der Bauteilkomponenten für das mechanische Strukturmodell können nicht klar definiert werden, bevor eine Analyse der fluiddynamischen Bedingungen erfolgt ist.
– Die Analyseergebnisse werden aufgrund der genannten Fehlerquellen möglicherweise nicht die realen Eigenschaften des Bauteildesigns widerspiegeln.

Probleme bei der CFD-Analyse:

– Die Topologie der Fluidräume in den Bauteilkomponenten kann unter den Einschränkungen der konventionellen Fertigungsmöglichkeiten nicht optimiert werden, so dass nachträgliche umständliche Modifikationen des Designs und Anpassungen für die Montage notwendig werden.
– Die konventionell konstruierte Geometrie der Festkörperstruktur stellt in der Regel keine Kontinuität der Strömungsräume bereit, wodurch Fehler bei der Generierung des Oberflächennetzes für die CFD-Analyse entstehen.
– Die Einschränkungen durch die konventionell festgelegte Festkörperstruktur können unzweckmäßige Grenzwerte für die CFD-Analyse zur Folge haben, die zu einer Nichtkonvergenz der Berechnungen führen können.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass das bekannte Vorgehen beim Design eines Staubbrenners üblicherweise noch auf einer konventionellen Methode basiert, bei der die Geometrie der Brennerkomponenten, wie beispielsweise Medienzuführungen, Brennerrohre, Brennermund, Mischkammern oder Kühlkanäle für sich und unter Rücksichtnahme auf die Möglichkeiten der konventionellen Fertigungsverfahren entwickelt und dann die verschiedenen Komponenten miteinander verbunden werden. Eine solche Herangehensweise fördert unvorhersehbare und auch unvermeidbare Nachteile bei der Gestaltung der Fluidströmungswege. Deshalb werden zunehmend FEM- und/ oder CFD-Analysen in Verbindung mit den konventionellen Konstruktionsverfahren eingesetzt. Jedoch kann die oben erwähnte konventionelle Vorgehensweise auch damit nicht alle Konflikte zwischen der Gestaltung der Festkörperstruktur der Brennerkomponenten und der Optimierung der Fluidströmungen innerhalb der Festkörperstruktur befriedigend lösen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, durch eine effizientere Konstruktions- und Fertigungsweise die Einschränkungen des konventionellen Konstruierens und Fertigens zu überwinden und damit nicht nur die fertigungstechnischen Anforderungen an ein Bauteil, sondern auch die prozessbezogenen Anforderungen an eine optimale Medienführung, insbesondere verlustarme Transport-, Misch- und Wärmeaustauschprozesse, zu erfüllen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des ersten Anspruchs gelöst. Zweckmäßige Verfahrensschritte und dafür besonders geeignete Fertigungsverfahren sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Gestaltung von fluiddurchströmten Bauteilen erfolgt ausgehend vom für das Bauteil zur Verfügung stehenden Bauraum und von Randbedingungen an der Bauteilgrenze, wie geometrischen, mechanischen, thermischen und fluiddynamischen Randbedingungen, mittels Strömungssimulation eine Optimierung der Topologie der Fluidräume und darauf basierend wird die Festkörperstruktur des Bauteiles zur Realisierung der Fluidräume mit Hilfe von Festkörpersimulationsmodellen und unter Berücksichtigung von verwendungsbezogenen Anforderungen, Konstruktionsregeln und Gestaltungsregeln des Fertigungsverfahrens analog zum Revers-Engineering-Prinzip ausgebildet. Als Reverse Engineering wird allgemein ein Konstruktionsprinzip bezeichnet, bei welchem von einer 3D-Punktwolke eines fertigen Bauteils ausgehend mittels Flächenrückführung eine Datenaufbereitung für die CAD-Modellierung und die Fertigungsprozesse erfolgt. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die 3D-Punktwolke anstelle aus dem sonst üblichen Scannen des Bauteils aus den Flächenstützpunkten im Ergebnis der Topologieoptimierung der Fluidräume gewonnen.
Mit der vorgestellten Konstruktionsmethode wird somit abweichend von der konventionellen Vorgehensweise nicht zuerst die Festkörpertopologie, sondern zunächst die Fluidraumtopologie optimiert und davon ausgehend die umhüllende Festkörperstruktur des Bauteils gestaltet.
Dabei wird in vorteilhafter Weise das Verfahren der Topologieoptimierung nun auch für die fluiddynamische Optimierung von Bauteilen genutzt.
Die vorgeschlagene Designmethode hat mehrere Vorteile: Sie liefert einen schnellen Design-Ansatz und einen effektiven Bearbeitungsweg, der eine optimierte Topologie der Fluidströmungswege sicherstellen kann.
Mit der Benutzung von bekannten Oberflächen-Diskretisierungsverfahren höherer Ordnung, mit denen eine sich räumlich kontinuierlich ändernde Oberflächen in diskrete, durch ein für das jeweilige Kontinuum geeignetes Muster von Punkten definierte Abschnitte gegliedert wird, wird die für die vorgeschlagene Konstruktionsmethode erforderliche Genauigkeit der Oberflächenbeschreibung der Fluidräume gewährleistet. Infolge der Generierung von 3D-Punktwolken zur Beschreibung der Bauteilstrukturen wird eine wirtschaftliche Herstellung der Bauteile mit modernen generativen Fertigungsmethoden möglich, wie beispielsweise Laserschmelzen, Lasersintern, Elektronenstrahlschmelzen oder 3D-Druck, die diese mittels der 3D-Punktwolken generierten Bauteilstrukturen direkt verarbeiten. Derartige Herstellungsverfahren werden bereits genutzt, um kompliziert geformte Brennerbauteile zu realisieren ( WO 2014/090481 A2 , WO 2014/090476 A1 ).
Im Folgenden soll die Erfindung in ihrem Grundprinzip am Beispiel eines Vergasungsbrenners für Kohlestaub erläutert werden. Die dazugehörige Abbildung stellt dabei dar:
1: Blockdiagramm des Designverfahrens
Das Verfahren zur Gestaltung von fluiddurchströmten Bauteilen mit Fluidräumen und einer die Fluidräume umschließenden Festkörperstruktur kombiniert grundsätzlich bekannte Elemente der CAE, insbesondere Strömungssimulationsmodelle, Festkörpersimulationsmodelle und CAD mit dem Ziel einer optimalen Gestaltung einer Bauteil-Topologie. Es unterscheidet sich jedoch von vorbekannten Verfahren dadurch, dass zunächst ausgehend vom für das Bauteil zur Verfügung stehenden Bauraum und den vorgegebenen Randbedingungen an der Bauteilgrenze eine Optimierung der Topologie der Fluidräume erfolgt und darauf basierend die Festkörperstruktur des Bauteiles zur Realisierung der Fluidräume mit Hilfe von Festkörpersimulationsmodellen und unter Berücksichtigung von verwendungsbezogenen Anforderungen, Konstruktionsregeln und Gestaltungsregeln des Fertigungsverfahrens nach dem Revers-Engineering-Prinzip ausgebildet wird.
Wie aus 1 ersichtlich, steht am Beginn des vorgeschlagenen Verfahrens die Generierung eines Designentwurfs für die Gestaltung der Fluidräume 1 innerhalb des Bauteiles ausgehend vom Bauraum und von den mechanischen und fluiddynamischen Randbedingungen an der Bauteilgrenze.
Jedes Bauteil befindet sich innerhalb einer Maschine oder Anlage an einem dafür vorgesehenen Ort und erfüllt eine bestimmte Funktion. Im vorliegenden Fall handelt es sich um einen Kohlestaubbrenner, der eine zylindrische Form besitzt und in der Außenwand eines Vergasungsreaktors angeordnet ist, verschiedene axiale und radiale Medienanschlüsse zur Zuführung der Reaktionspartner in die Flammenzone am Brennermund aufweist und von Gasen und Mehrphasenströmungen in seiner Längsrichtung durchströmt wird und diese dabei weiterleitet, umlenkt, beschleunigt bzw. zusammenführt.
Bei den zugeführten Medien für einen Kohlestaubbrenner handelt es sich zumindest um Sauerstoff enthaltendes Gas, Wasserdampf und Kohlestaub-Trägergas-Dichtströme. Die für diese Medien benötigten Fluidräume innerhalb des Brenners umfassen beispielsweise Anschlussflansche, Ringkanäle, Mischkammern, Kühlmittelkanäle und Rund- oder Ringspaltdüsen am Brennermund.
Ausgehend von dem für das Bauteil zur Verfügung stehenden Bauraum und der Lage und Beschaffenheit der Fluidschnittstellen zu benachbarten Bauteilen und der vorgesehenen Einwirkung auf die Fluide wird nun ein Erstentwurf für die Gestaltung der Fluidräume, d. h. der Strömungsräume für die Fluide innerhalb des Bauteils, entwickelt. Dabei sind Randbedingungen wie Anschluss- oder Eintrittsquerschnitte, Austrittsquerschnitte, Druck, Temperatur, Volumen- oder Massenströme der Fluide und die physikalischen und chemischen Fluideigenschaften in den Designentwurf einzubeziehen.
Die Vielzahl an Medien und deren unterschiedlichen Funktionen führen im Verlauf der konstruktiven Berücksichtigung aller Erfordernisse zu multifunktionellen integrierten Brennerbauteilen mit kompliziert gestalteten Kanälen.
Zunächst aber würde ein Designentwurf für einen Strömungskanal im einfachsten Fall den Eintritts- und den Austrittsquerschnitt auf geradlinigem Weg und mit konstantem Querschnittsprofil verbinden. Unter Berücksichtigung des Bauraumes und der anderen Medien sind möglicherweise noch Richtungsänderungen vorzusehen.
Ausgehend vom Designentwurf erfolgt nun erfindungsgemäß eine Topologieoptimierung der Fluidräume 2 auf der Basis strömungsmechanischer Zielfunktionen, wobei insbesondere Druckgradienten oder Strömungsgeschwindigkeitsverteilungen im Fluidraum in Abhängigkeit von Stützpunktkoordinaten der Fluidraum-Begrenzungsflächen Gegenstand der Optimierungsmodelle sind.
Als Randbedingungen für die Optimierung sind die vorgegebenen Ein- und Austrittsparameter für die beteiligten Fluidströme, die die Bauteilgrenze passieren, beispielsweise Volumen- oder Massenströme, deren Temperaturen und Drücke oder die Querschnitte, Formen und Anordnungen der Fluidkanäle an der Bauraumgrenze zu berücksichtigen.
Im Konstruktionsprozess wird die Methode der Topologieoptimierung eingesetzt, um Erstentwürfe von Bauteilen weiterzuentwickeln. Die Topologieoptimierung ist ein bekanntes computerbasiertes Berechnungsverfahren, mit dem es möglich ist, eine vorgegebene Geometrie eines Designentwurfes zu optimieren, um zu einem vordefinierten Zielwert der Design-Variablen unter bestimmten Randbedingungen oder Beschränkungen zu gelangen. Durch den Einsatz der Topologieoptimierung kann das geeignetste Designkonzept unter vorgegebenen Konstruktionsanforderungen ermittelt werden.
Bisher wurde diese Methode benutzt, um Festkörpergeometrien im Hinblick auf die einwirkenden mechanischen Beanspruchungen zu optimieren. Dazu wurde eine zur Verfügung stehende Masse innerhalb des zur Verfügung stehenden Bauraumes so verteilt, dass eine Zielfunktion (Designvariable), beispielsweise die Biegesteifigkeit, ihr Extremum erreicht.
Das Ziel der Topologieoptimierung innerhalb des hier vorgeschlagenen Konstruktionsverfahrens ist dagegen primär auf die Erzielung optimaler fluiddynamischer Eigenschaften der von dem Bauteil umschlossenen Hohlräume für die Aufnahme der Fluidströme gerichtet, insbesondere hinsichtlich Fließverhalten (Fließmuster, Stabilität und Geschwindigkeit) oder Druckgradienten.
Den Gegenstand für die Topologieoptimierung bilden deshalb nicht die Festkörper-Volumenkoordinaten, sondern die Lagekoordinaten der Fluidraumbegrenzungsflächen. Da im Optimierungsverfahren aus Effizienzgründen nur eine Auswahl diskreter Flächenpunkte lageoptimiert wird, werden diese Punkte als Flächenstützpunkte für die jeweilige Fluidraumbegrenzungsfläche bezeichnet.
Eine mathematische Beschreibung eines Strömungskanals für ein Medium ist beispielsweise mit der Ein- und Austrittsflächenkontur des Fluidstromes an der Bauteilgrenze und mindestens drei die Konturen am Ein- und Austritt verbindende Leitlinien für die Fluidraumbegrenzungsfläche möglich, wobei diskrete Leitlinienpunkte nach der Optimierung ihrer Lagekoordinaten die Flächenstützpunkte der Fluidraumbegrenzungsflächen bilden.
Der optimale Verlauf der Leitlinien und damit die optimale Kanalquerschnittskontur für den Strömungskanal wird mittels Topologieoptimierung ermittelt.
Die fluiddynamische Simulation der Strömungsprozesse innerhalb des zu optimierenden Bauteils erfolgt mit Hilfe der bekannten Fluidströmungsgesetze. Insbesondere eignen sich hierfür die Navier-Stokes-Gleichungen bzw. Energie- und Massenbilanzen.
Die Optimierungsfunktion kann, wie in dem folgenden Beispiel gezeigt, formuliert werden: min(T, F):J(v, p; T, F) = ∫_Ωw₁C₁(v, ∇v, p; T ̃, F ̃)dΩ + ∫_Γw₂C₂(v, p; T ̃, F ̃)dΓ
Randbedingungen:

e1 = D(v, vd, p, ρ, η)
e2 = B(v, p) ≥ 0
e3 = V(v, p) ≥ 0

wobei

T: ... Zielgröße
F: ... Regelgröße
v: ... Geschwindigkeit
p: ... Druck
Ω: ... Fluidraum
Γ: ... Grenzen des Fluidraumes
w1, w2: ... Massefunktionen
C1, C2: ... Integrationskonstanten für den Fluidraum bzw. die Grenzbereiche
T^~: ... Projektdesignvariable
F^~: ... Projektregelgröße
e1, e2, e3: ... Einschränkungen durch die Gestaltungserfordernisse
D: ... Navier-Stokes-Gleichungen
vd: ... vorgegebene Strömungsgeschwindigkeiten an den Bauteilgrenzen
ρ: ... Fluiddichte
η: ... Viskosität des Fluids
B: ... Randbedingungen an den Bauteilgrenzen
V: ... Randbedingungen für das Volumen

In die Integraltherme gehen die Topologie des Fluidraumes, Wärmeübertragungseffekte und Ein- und Austrittsschnittstellen für eine Zielwertsuche ein.
Basierend auf der Topologieoptimierung zur Erzielung einer optimalen Strömungsverteilung und Kontinuität der Fluidströmungen in den Fluidräumen wird im nächsten Schritt eine Modellierung der Fluidraumbegrenzungsflächen, d.h. der fluidbenetzten Oberflächen der Fluidraumstruktur, auf der Grundlage der 3D-Punktwolke der aus der Topologieoptimierung ermittelten Flächenstützpunkte mit Hilfe mathematischer Flächenbeschreibungen höherer Ordnung, beispielsweise B-Splines, NURBS oder T-Splines, für die nachfolgende CFD-, FEM- und CAD-Modellierung vorgenommen.
Die Oberflächenmodellierung der Fluidraumstruktur 3 erfolgt unter Nutzung von Oberflächen-Diskretisierungsmitteln höherer Ordnung, z.B. B-Splines, Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS), T-Splines, Subdivision Surfaces, um die Genauigkeit der Oberflächenbeschreibung für die CFD- und FEM-Simulationen zu verbessern und exakte Flächengrenzen und exakt definierte Übergänge zu angrenzenden Flächen zu erhalten.
Die numerisch nachgebildete Fluidraumstruktur bildet nun die Grundlage für CFD-Simulationen 4 der Fluidströme.
Mit einer CFD-Analyse kann das spätere Strömungsverhalten mediendurchflossener Bauteile simuliert werden. Daraus können vor der Bauteilfertigung Hinweise zu Druck- und Geschwindigkeitsverhältnissen in den Fluidströmungen abgeleitet werden, die für die konstruktive Umsetzung bedeutsam sind. Aufgrund der CFD-Analyse gelangt man zu einer Beurteilung, ob die mit dem Simulationsmodell berechneten Eigenschaften der Fluidraumstruktur die prozessrelevanten Erfordernisse erfüllen.
Im Einzelnen ist es mit einer CFD-Analyse möglich, Strömungsprofile von stationären und instationären Strömungen zu ermitteln, laminare oder turbulente Strömungen zu berechnen, Verwirbelungen und Totwassergebiete zu bestimmen, Strömungen mit gekoppeltem Wärmeübergang zu berücksichtigen oder Mehrphasenströmungen (Mischprozesse, Kondensations- oder Verdampfungsprozesse) zu modellieren.
Die numerisch modellierte Fluidraumstruktur kann nun dahingehend überprüft werden, ob die geometrischen Gestaltungsregeln für das vorgesehene Fertigungsverfahren ausreichend berücksichtigt werden. Jedes Fertigungsverfahren ist bestimmten Einschränkungen unterworfen, beispielsweise bzgl. der damit erreichbaren Oberflächenformen, Wandstärken, Oberflächenrauigkeiten oder Materialeigenschaften. Gegebenenfalls muss das Fertigungsverfahren geändert werden oder das Bauteil aus einer Kombination von mehreren, auf unterschiedliche Weise gefertigten Bauteilkomponenten zusammengesetzt werden.
Ausgehend von der optimierten Topologie der Fluidraumstruktur erfolgt der Entwurf der Festkörperstruktur 5 des Bauteils. Das Bauteil wird dabei derart gestaltet, dass die optimierten Fluidräume von einem oder mehreren Festkörpern umschlossen werden und die bauteilübergreifenden Fluidverbindungen zu angrenzenden Bauteilen (die Schnittstellen) oder zu Reaktionsräumen entsprechend den geometrischen Randbedingungen ausgebildet werden. Bei einer komplizierteren Fluidraumstruktur kann es zweckmäßig sein, anstelle eines Bauteils mehrere Bauteilkomponenten vorzusehen, die an kompatiblen Grenzflächen miteinander verbunden werden.
Zur Optimierung der Festkörpertopologie wird das Bauteil dreidimensional in einzelne (diskrete) Tetraeder-, Quader- oder auch krummflächig begrenzte Elemente zerlegt. Diese Diskretisierung der Festkörperstrukturdaten ist für die FEM- und CAD-Modellierung erforderlich.
Mit der FEM-Simulation 6 des Bauteiles bzw. der Bauteilkomponenten unter Berücksichtigung der äußeren und inneren Randbedingungen und innerhalb der fluidraumspezifischen Grenzwerte, die aus der CFD-Simulation gewonnen wurden, ist es nun möglich, die Bauteilgeometrie an die Eigenschaften des gewählten Materials optimal anzupassen. Die Umgebungsbedingungen am Einsatzort, wie Krafteinwirkungen (Belastungen, Einspannungen) oder thermisch verursachte Verformungsspannungen werden nun einbezogen.
Mittels FEM-Simulation der Festkörperstruktur können neben klassischen Festigkeitsberechnungen unter verschiedenen Krafteinwirkungen auch Temperaturverspannungen oder dynamische Prozesse im Strömungsraum analysiert werden. Analog zur Optimierung der Fluidräume wird also auch die Festkörperstruktur mittels Topologieoptimierung modelliert und numerisch optimiert. Dabei werden jedoch die Ergebnisse der Fluidraumstrukturoptimierung berücksichtigt.
Aus dem modellierten Festkörper des Bauteils werden im nächsten Schritt nach dem Revers-Engineering-Prinzip Konstruktionselemente mit konkreten Material- und Oberflächeneigenschaften extrahiert und der CAD-Modellentwurf dahingehend überprüft, ob die geometrische Festkörperstruktur und deren physikalischen Eigenschaften die Bauteilbeanspruchungen, Gestaltungserfordernisse, konstruktiven Standards und Anforderungen des jeweiligen Fertigungsverfahrens erfüllen. Hierbei erfolgt eine komplexe Prüfung, inwieweit die Bauteilstruktur alle prozessbezogenen Anforderungen am Einbauort, die mechanischen und fluiddynamischen Randbedingungen, technische Reglements (Auslegungsrichtlinien, Normen, Konstruktionsstandards, z.B. DIN, ISO, CEN, ASME) usw. erfüllt.
Das „Reverse Engineering“ führt von der CFD- und FEM-gestützten Modellierung der Fluidraum- und Bauteil-Begrenzungsflächen zu einem CAD-Modell mit konkreten Objekt- und Flächeneigenschaften. Das fertig modellierte Bauteil liegt zunächst als von Freiformflächen begrenztes räumliches Gebilde vor. Die Merkmale dieses Objektes sind im Rahmen der Datenaufbereitung für die CAD-Modellierung 7 in ein reproduzierbares Ausgangsmodell (Flächen und deren Lage zueinander) mit definierten Objekt- und Flächeneigenschaften zu überführen. Bei der Rückführung in vektororientierte CAD-Daten können die NURBS-Flächenbeschreibungen vorteilhaft genutzt werden.
Eine CAD-Konstruktionszeichnung ist das Endprodukt der exakten Beschreibung des Objektes.
Auch das Fertigungsverfahren hat einen Einfluss auf die Realisierbarkeit der modellierten Festkörperstruktur. Hinsichtlich der geometrischen Gestaltung des Bauteiles/ der Bauteilkomponenten ist es entscheidend, ob die Formgebung mit einem abtragenden Bearbeitungsprozess aus einer Grundform erfolgt oder ob ein generatives Fertigungsverfahren gewählt wird, bei dem aus einem pulverförmigen Ausgangsmaterial durch Schmelzen in einer Form oder durch schichtenweiser Materialauftrag ein frei formbarer Guss- oder Sinterkörper entsteht. Oberflächenqualität, Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, Genauigkeit oder die Realisierung von Querschnittsänderungen usw. hängen davon ab.
In einem letzten Schritt – der Generierung der technischen Spezifikation und Konstruktionsdokumentation 8 des erstellten Bauteiles mittels CAD – werden die für eine Bauteilfertigung benötigten Daten bereitgestellt. Dies ist kein für dieses Konstruktionsverfahren spezifischer Arbeitsschritt, sondern ist obligatorischer Bestandteil jeder Konstruktionsmethode unabhängig von deren Ausgestaltung.
Bei Nichterfüllung der prozessrelevanten, konstruktiven oder fertigungsspezifischen Erfordernisse ist es vorgesehen, dass Modifikationsschleifen 9, 10 entweder zur Topologieoptimierung der Fluidräume basierend auf der CFD-Simulation 4 oder zur Optimierung der Festkörperstruktur des Bauteiles nach dem Revers Engineering durchlaufen werden und dabei eine Änderung der Fluidräume erfolgt oder nicht.
Das heißt, dass einzelne Abschnitte des Konstruktionsverfahrens durchaus in üblicher Weise mehrfach durchgeführt werden müssen, wenn sich aufgrund von komplexen Anforderungen ein iteratives Annähern an ein Optimum bei der Bauteilgestaltung erforderlich macht.
So kann es im Ergebnis der CFD-Simulation der Fluidräume zweckmäßig erscheinen, die Topologie der Fluidräume gegenüber dem Erstentwurf zu verändern 9, um deren strömungsdynamischen Eigenschaften zu verbessern oder vorauszusehende Schwierigkeiten bei der Festkörperstrukturierung zu minimieren.
Es ist auch möglich, dass sich nach der Topologieoptimierung der Fluidräume und der FEM-Analyse der Festkörperstruktur herausstellt, das einzelne technische Vorgaben aus technischen Standards oder Konstruktionsnormen (beispielsweise Mindestwandstärken) oder Probleme bei der Realisierbarkeit von geometrischen Formen oder Oberflächeneigenschaften durch das Fertigungsverfahren (Freiformflächen, Hinterschnitte, Rauigkeiten) auftreten. Hier wird man zunächst mit einer Modifikation der Festkörpertopologie 10 versuchen, die Konflikte mit den konstruktiven oder fertigungsspezifischen Einschränkungen zu lösen. Sollte dies allein nicht ausreichen, muss zusätzlich noch einmal die Fluidraumtopologie angepasst werden (Modifikation der Topologie der Fluidräume 9), um den Spielraum für die Festkörpermodellierung zu erweitern.
Die Herstellung eines nach dem vorgeschlagenen Verfahren konstruierten Bauteiles oder dessen Bauteilkomponenten erfolgt zweckmäßig mit einem generativen Fertigungsverfahren, weil mittels selektivem Laserschmelzen, selektivem Lasersintern, Elektronenstrahlschmelzen oder 3D-Druckverfahren die im Zuge der fluiddynamischen Optimierung erzeugten stetigen Querschnittsänderungen und gerundeten Konturen der Strömungskanäle damit am kostengünstigsten hergestellt werden können und weil bei den bekannten generativen Fertigungsverfahren eine kostengünstige Umsetzung in Maschinendaten direkt auf der Basis der bereits vorliegenden digitalen Fluidraum- und Festkörpermodelle erfolgen kann. Außerdem wird eine primäre fluiddynamische Optimierung von Bauteilen in der Regel zu komplexen Formen führen, für die konventionelle Fertigungsverfahren weniger geeignet sind.
Mit Hilfe der modernen generativen Fertigungsverfahren, beispielsweise Laserschmelzen, Lasersintern oder Elektronenstrahlschmelzen, bei denen die Formgebung ohne Formwerkzeug entweder durch eine schichtweise selektive Bindung von körnigen Ausgangsmaterialien oder durch 3D-Druck-Technologien (Auftrag von formneutralem Material) erfolgt, können auch unkonventionelle oder komplexe Oberflächengeometrien erzeugt werden bis hin zur Integration aller Fluidraum-Strukturen in einem Bauteil oder in mehreren integrierbaren Bauteilkomponenten. Metallische Schichten können vorteilhaft direkt strukturiert werden.
Anhand der vorgeschlagenen Methode zur Fluidraumoptimierung und anschließender Anwendung eines reversiblen Design-Schemas können fluiddurchströmte Bauteile vor allem für extreme Beanspruchungen, beispielsweise ein Kohlestaubbrenner, effizient gestaltet werden. Es gelingt damit, eine fluiddynamisch optimale Struktur für Brennerkomponenten zu entwickeln, indem neben den auf die Brennerbauteile wirkenden Kräften, den Betriebsbedingungen, wie Temperaturen und Drücke, und den dynamischen Eigenschaften der Fluide bereits in der Entwicklungsphase auch eine strömungsgerechte Gestaltung der Fluidräume ausreichend berücksichtigt wird.
Ein solches Konstruktionsverfahren hilft, die in einem Brenner integrierten Brennerkomponenten ohne fertigungstechnisch motivierten Einschränkungen derart zu gestalten, dass sie die prozessbezogenen Anforderungen optimal erfüllen und durch die Anwendung der neuen generativen Fertigungsverfahren wirtschaftlich hergestellt werden können.
Bezugszeichenliste

1: Designentwurf für die Gestaltung der Fluidräume
2: Topologieoptimierung der Fluidräume
3: Oberflächenmodellierung der Fluidraumstruktur
4: CFD-Simulation
5: Entwurf der Festkörperstruktur
6: FEM-Simulation
7: CAD-Modellierung
8: Generierung der technischen Spezifikation und Konstruktionsdokumentation
9: Modifikation der Topologie der Fluidräume
10: Modifikation der Festkörperstruktur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4109231 C2 [0007]
WO 2014/090481 A2 [0021]
WO 2014/090476 A1 [0021]

Claims

Verfahren zur Gestaltung von fluiddurchströmten Bauteilen mit Fluidräumen und einer die Fluidräume umschließenden Festkörperstruktur mittels rechnergestützter technischer Arbeitsprozesse, nachfolgend als CAE bezeichnet wobei die folgenden Methoden des CAE zur Gestaltung einer Bauteil-Topologie – Strömungssimulationsmodelle, beispielsweise rechnergestützte fluiddynamische Simulationen, nachfolgend als CFD bezeichnet, – Festkörpersimulationsmodelle, beispielsweise die Finite-Elemente-Methode, nachfolgend als FEM bezeichnet, und – rechnergestützte Konstruktion, nachfolgend als CAD bezeichnet, derart kombiniert werden, dass ausgehend vom Bauraum, der für das Bauteil zur Verfügung steht, und von geometrischen, mechanischen, thermischen und fluiddynamischen Randbedingungen an der Bauteilgrenze mittels Strömungssimulation eine Optimierung der Topologie der Fluidräume erfolgt und darauf basierend die Festkörperstruktur des Bauteiles zur Realisierung der Fluidräume mit Hilfe von Festkörpersimulationsmodellen und CAD unter Berücksichtigung von verwendungsbezogenen Anforderungen, Konstruktionsregeln und Gestaltungsregeln des Fertigungsverfahrens ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Generierung eines Designentwurfs für die Gestaltung der Fluidräume (1) innerhalb des Bauteiles ausgehend vom Bauraum und von den geometrischen, mechanischen, thermischen und fluiddynamischen Randbedingungen an der Bauteilgrenze, – Topologieoptimierung der Fluidräume (2) auf der Basis strömungsmechanischer Zielfunktionen zur Gewinnung einer Auswahl von lageoptimierten diskreten Flächenstützpunkten, – Modellierung der Fluidraumbegrenzungsflächen (3) auf der Grundlage der aus der Topologieoptimierung ermittelten Flächenstützpunkte, – rechnergestützte fluiddynamische Simulation (4) zur Überprüfung, ob die Eigenschaften der Fluidraumstruktur die prozessrelevanten Erfordernisse erfüllen, – Modellierung der Festkörperstruktur (5) des Bauteils ausgehend von der Topologie der Fluidraumstruktur, – FEM-Simulation (6) der Festkörperstruktur des Bauteiles unter Berücksichtigung der äußeren und inneren Randbedingungen des Bauteils und der fluidraumspezifischen Grenzwerte aus der CFD-Simulation, – CAD-Modellierung (7) des Bauteiles und Überprüfung, ob die geometrische Festkörperstruktur und deren physikalischen Eigenschaften die Bauteilbeanspruchungen, Gestaltungserfordernisse, konstruktiven Standards und Anforderungen des Fertigungsverfahrens erfüllen,
Verfahren nach Anspruch 2, wobei bei Nichterfüllung von prozessrelevanten, konstruktiven oder fertigungsspezifischen Erfordernisse Modifikationsschleifen – zur Topologieoptimierung der Fluidräume (9) basierend auf der CFD-Simulation (4) oder – zur Optimierung der Festkörperstruktur des Bauteiles (10) ohne Änderung der Fluidräume oder mit Modifikation der Fluidräume (9) durchlaufen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Herstellung des Bauteiles oder der Bauteilkomponenten mit einem generativen Fertigungsverfahren, beispielsweise mittels selektivem Laserschmelzen, selektivem Lasersintern, Elektronenstrahlschmelzen oder 3D-Druckverfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Staubbrenner zur Flugstromvergasung von Kohlestaub gestaltet wird.