Drahtseil- und Seil-Modulator

Computersimulation zur Optimierung von Seilkonstruktionen

 

Wir sind davon überzeugt, dass die praktische Erfahrung das wichtigste Werkzeug zur Auslegung und Beurteilung von Seilsystemen ist. Desweiteren sind wir davon überzeugt, dass man das Seilverhalten am besten im Maßstab 1:1 testen kann. Wir haben allerdings die Erfahrung gemacht, dass die bewusste und vernünftige Anwendung anerkannter Simulationsmodelle in Entwicklungsprojekten erhebliche Zeit und Kosten sparen helfen kann.

 

Im Folgenden werden die Grundlagen eines Computer-Modells beschrieben, das Spannungen im Material und resultierenden Effekte analysiert und simuliert.

Dieses Modell wurde von Dr. Ronen Ashkenazi in seiner Dissertation erarbeitet und danach auf Basis diverser Versuche laufend weiterentwickelt.

Das Rechenmodell wurde erfolgreich bei der Entwicklung eines Kunstfaserseiles aus Hochleistungsfasern für Aufzuganwendungen eingesetzt, um Spannungen im Material bei großen Verdrehungen zu simulieren.

 

Die Grundlagen:

1. Bestimmung und Aufbau des geometrischen Modells des Seiles: alle geometrischen Gegebenheiten eines jeden Elements werden berücksichtigt, also die Doppelhelix eines Drahtes in der Litze oder aber die Dreifachhelix eines Garnes im Seil.
2. Erfassung eines jeden Drahtes/Garns als Finites Element entlang der Seilachse. Jedes Element ist in einem Frennet Serret Rahmen definiert.
3. Definition der internen Bewegung. Abhängig vom Querschnitt des Seiles, dem Übergang der Litzenlagen, der Form der Drähte etc. wird die relative Bewegung der Elemente zueinander im Frennet Serret Rahmen definiert
4. Bestimmung der Positionsänderungen des Seiles, also Längung, Verdrehung, Biegeradienänderung über einer Scheibe
5. Berechnung der Konfiguration eines einzelnen Drahtes. Entsprechend der definierten Kinematik wird für jeden Draht die tatsächliche Form unter Last berechnet, hierzu gehören
   • Der Verlauf der Mittellinie des Drahtes
   • Die Änderung des Biegeradius des Drahtes
   • Die Torsionsspannungen entlang der Mittellinie, hervorgerufen durch Verdrehung
6. Berechnung von Biegung, Torsion und Zugspannung jedes Elementes
7. Berechnung der Steifigkeits-Matrix
8. Berechnung der Verteilung von Biege-, Zug- und Torsionsspannungen entlang jeden Drahtes
9. Berechnung der Relativbewegung zwischen einzelnen Elementen.

Die Anwendung des Rechenmodells auf synthetische bzw. Hybrid-Seile

Die derzeitige Anwendung des Modells bezweckt die Entwicklung leichterer Tragmittel für Bergbau- und hohe Aufzugschächte.

Spezielle Entwicklungen beschäftigen sich mit dem Einfügen von Hochleistungsfasern in Stahlseilen, sog. Hybridseilen. Einer der kritischen Punkte hierbei ist die gleichmäßige Lastverteilung zwischen Stahl- und Kunststoffelementen über die gesamte Lebensdauer. Mit Hilfe dieses Modells kann man Seilquerschnitte entwickeln, die diese Lastverteilung ermöglichen. Hier kann man die Geometrie eines jeden Elementes, also Schlagwinkel der Drähte, Schlagwinkel der Litzen, Schlagwinkel einzelner Garne und Faserbündel, Stärke der Garne und radiale Position, simulieren und optimieren.

Die Entwicklung eines solchen Seiles geht einher mit der Bereitstellung einer großen Anzahl von Probestücken für die statischen und Dauerversuche. Der Einsatz dieses Rechenmodells zur Auslegung der Probestücke bei Berücksichtigung der Versuchsergebnisse für die kritischen Parameter des Seiles kann Zeitaufwand und Kosten erheblich reduzieren.

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