Entwicklung hochdynamisch beanspruchter Flächendichtverbindungen

Abstract

Ein bestehender Prüfstand zur Untersuchung von Flächendichtungsmaterialien wurde konstruktiv erweitert und in eine neue mess- und regelungstechnische Ausrüstung in-tegriert. Damit kann nun die Analyse und Erfassung des Abdicht- und Verformungs-verhaltens verschiedener Dichtungstechnologien unter beliebigen Montage- und Be-triebsbedingungen erfolgen: die Prüfdichtung kann auf unterschiedlichen Dichtober-flächen einer statischen oder dynamisch pulsierenden Flächenpressungsbeanspruchung bis 50 MPa bzw. einer wechselnden Scher-bean-spruchung durch Torsion bis 1000 Nm unterworfen werden. Der Dichtraum kann mit einem statischen oder pulsierenden Innendruck bis 350 bar beaufschlagt werden. Die Temperierbarkeit der Prüfflansche er-streckt sich von –10 bis +200 °C. Um das Werkstoffverhalten von Flächendichtungsmaterialien unter pulsierender Pres-sungsbeaufschlagung charakterisieren und mit Hilfe von Materialkennwerten model-lieren zu können, wurde an drei typischen Werkstoffen, die bei dynamisch hochbean-spruchten Flächendichtverbindungen eingesetzt werden, ein umfangreiches Versuchs-programm auf dem Flächendichtungsprüfstand durchgeführt. Untersucht wurden ein aramidfaserverstärktes Weichstoffdichtungsmaterial W1, ein anaerob aushärtendes Flüssigdichtmittel F1 auf Dimethacrylatester-Basis und eine NBR-beschichtete Me-tallsickendichtung MSD1. Um die Versuchsergebnisse der untersuchten Dichtungs-materialien, die unterschiedliche Anfangsdichtungsdicken aufweisen, vergleichen zu können, wurde die Größe „Normierte Dichtungsdicke (1-)“ eingeführt. Für die Be-schreibung der Reibungselastizität des pulsierenden Pressungsverhaltens der verschie-denen Dichtungsmaterialien bei unterschiedlichen Beanspruchungsparametern wurden die Größen „Dämpfungsarbeit Wd“ und „Dynamischer Elastizitätsmodul E‘ “ einge-führt. Diese Materialkennwerte bilden die Erweiterung des am IMA entwickelten Werkstoffmodells für Flächendichtungsmaterialien um die Beanspruchungsart der dy-namischen Pressungsbeaufschlagung. Um das Gesamtverformungsverhalten des Systems „Flächendichtverbindung“, das entscheidend vom nichtlinearen Verformungsverhalten des Dichtungsmaterials beein-flusst wird, unter nahezu beliebigen äußeren Beanspruchungen mit der FEA simulieren zu können, wurde ein am IMA entwickeltes Werkstoffmodell in Form von Koppel-elementen in das Finite-Elemente-Programmsystem MSC.MARC/MENTAT imple-mentiert: dabei wird das Pressungsverhalten des Dichtungsmaterials senkrecht zur Dichtfläche mit Foundations (Flächenwiderstand einer Elementoberfläche) und das Scherungsverhalten in der Dichtungsebene mit Springs (Verformungswiderstand zwi-schen zwei Elementknoten) modelliert. Die Kennlinien des Werkstoffmodells werden den Koppelelementen über benutzerdefinierte Subroutinen zur Verfügung gestellt. Für eine rechnerbasierte Optimierung von beliebigen hochdynamisch beanspruchten Flächendichtverbindungen wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Algorithmus „I-MAStruct“ in der Programmiersprache Fortran77 entwickelt, der auf der Basis der Methode der Topologieoptimierung als integriertes Tool im FE-Solver in der Kon-struktionsphase eines Gehäuse-Dichtsystems die optimale Gestaltung des Abdichtbe-reiches (Flanschkontur, Anbindung an die Gehäusewand, Platzierung von Verrippun-gen) aktiv unterstützt. Als Zielfunktionen der Strukturoptimierung können vom Benut-zer die Homogenisierung der Pressungsverteilung von pD auf der Dichtebene einer Flächendichtverbindung, die Steigerung der mittleren Flächenpressung pD,m oder eine gleichmäßige Schubspannungsbeanspruchung xy des Dichtungsmaterials gewählt werden. Außerdem muss IMAStruct eine Konvergenztoleranz vorgegeben werden, bei deren Unterschreitung die iterative Optimierung als erfolgreich abgebrochen wird. Die Entwicklung des Algorithmus erfolgte an einfachen FE-Modellen von Schraubflan-schen mit kreisrunder Dichtungsgeometrie. Im Fall einer Pressungsoptimierung wer-den nach der Berechnung der initialen Pressungsverteilung von IMAStruct sukzessive in jedem Optimierungsinkrement das Dichtflächenelement mit der geringsten lokalen Pressung und die dahinter angrenzenden Flansch-Volumenelemente deaktiviert. Im Fall der Optimierung der Schraubflansche entsteht eine neue Dichtflanschkontur mit einer taillierten Dichtfläche zwischen den Verschraubungen, mit einer gesteigerten mittleren Flächenpressung pD,m und einer deutlich reduzierten Pressungsinhomogenität pD. Für die Optimierung der Schubspannungsbeanspruchung des Dichtungsmaterials wur-de IMAStruct um einen zweiten Algorithmus zur Torsionsoptimierung von Flächen-dichtverbindungen erweitert: dabei werden die Bereiche des Flanschblattes ausfindig gemacht, die bei einer Torsion des Gehäuses den geringsten Scherauslenkungen uD,min unterliegen. Auf diese Weise sollen sich die unterschiedlich hohen Schubspannungen xy auf der Dichtfläche schrittweise angleichen. Für die Bewertung der Wirksamkeit einer Torsionsoptimierung wurde ein Optimierungsfaktor Kopt eingeführt. Im Fall der Optimierung der Schraubflansche entsteht hier eine neue Dichtflanschkontur, bei der vor allem am Innendurchmesser des Flanschblattes Material entfernt wurde. Die Schubspannungen xy sind dabei wesentlich gleichmäßiger verteilt.

A test rig for the investigation of gasket materials was redesigned and integrated into a new measuring and control equipment. Thus now the analysis and coverage of the sealing and deformation behavior of different housing sealing technologies under ar-bitrary assembly and operating conditions can be performed: the test gasket can be subjected to a static or dynamically pulsating contact stress load up to 50 MPa on dif-ferent sealing surfaces or to an alternating shear stress by torsion up to 1000 Nm. The sealed volume can be subjected to a static or pulsating internal pressure up to 350 bar. The test flanges can be tempered from -10 to +200 °C. In order to be able to characterize the material behavior of gasket materials subjected to pulsating contact stress and to describe it my means of material parameters, an ex-tensive test program on the gasket test rig was carried out on three typical materials, which are used with dynamically highly stressed gasketed bolted joints. An aramide fiber-reinforced soft material W1, an anaerobicly curing liquid sealant F1 on Di-methacrylatester-base and a NBR coated multi-layer steel gasket MSD1 were exam-ined. Regarding the comparability of the test results of the examined gasket materials with different initial thicknesses, the parameter “Standardized Seal Thickness (1-)” was introduced. For the description of the friction elasticity of the pulsating pressing behavior of the different gasket materials with different load conditions the parameters “damping work Wd” and "dynamic modulus of elasticity E’ “ were defined. These material parameters represent the extension of the material model developed at the In-stitute for Mechanical Components (IMA) of the University of Stuttgart for gasket materials concerning the load type “dynamic contact load”. In order to be able to simulate the total deformation behavior of the system "gasketed bolted joint", which is crucially influenced by the nonlinear deformation behavior of the gasket material, subjected to almost arbitrary external loads with the FEA, a mate-rial model developed at the IMA was implemented into the finite element program system MSC.MARC/MENTAT by means of coupling elements: the pressing behavior of the gasket material perpendicular to the sealing surface is being modeled using foundations (surface resistance of an element surface) and the shearing behavior in the sealing surface with springs (displacement resistance between two element nodes). The characteristic curves given by the material model are made accessible for the coupling elements by user-defined subroutines. For the computer-based design optimization of arbitrary high-dynamically stressed gasketed bolted joints in the context of this work an algorithm "IMA-Struct" was de-veloped in Fortran77, which actively supports the optimal organization of the sealing area (flange contour, binding to the housing wall, placement of ribs) on the basis of the method of topology optimization as an integrated tool in the FE solver in the design process of a housing sealing system. As objective functions of the structural optimiza-tion the user can select the homogenization of the contact stress distribution pD on the sealing area of the gasketed bolted joint, the increase of the average contact stress pD,m or a constant shear stress xy of the gasket. Additionally IMAStruct must be given a convergence tolerance. When the objective value falls short of this tolerance the itera-tive optimization is aborted as successful. The development of the algorithm was performed with simple FE models from bolted flanges with circular seal geometry. In the case of a contact stress optimization after the calculation of the initial contact stress distribution the sealing surface element with the smallest local contact stress and the solid flange elements bordering behind it are deactivated gradually by IMAStruct in each optimization increment. In the case of the optimization of the bolted flanges a new sealing flange contour with a waisted sealing surface between the screw connections develops, with an increased average contact stress pD,m and a clearly reduced contact stress inhomogeneity pD. For the optimization of the shear stress of the gasket material IMAStruct was extended by a second algorithm for the torsion optimization of gasketed bolted joints: it detects and deactivates the areas of the flange, which are subject to the smallest shear dis-placements uD,min with a torsion of the housing. In this way the differently high shear stresses xy on the sealing surface are to adapt themselves gradually. For the evaluation of the effectiveness of a torsion optimization an optimization factor Kopt was intro-duced. In the case of the optimization of the bolted flanges a new sealing flange con-tour develops, with which particularly at the inside diameter of the flange material was removed. The shear stresses xy become substantially more evenly distributed thereby.