Entwicklung 4.0: Auslegung von Prüfkammern mit Hilfe von Simulationstechnologien

Merkle & Partner bietet Konzeption nachhaltiger Testbedingungen auf Basis simulierter Bauteile-Tests

Druckprüfung an einem Bohrgestänge. (Bildquelle: @shutterstock/Von Funtay)

Die Druckfestigkeit, oder der Berstdruck, bei dem ein Bauteil versagen darf, muss in Versuchen nachgewiesen werden. Die jeweilige Testkammer muss so ausgelegt sein, dass Schäden an Anlagen, Gebäuden oder Einrichtungen vermieden werden. Mit durchdachter Simulationstechnologie simuliert das Ingenieurunternehmen Merkle & Partner nicht nur das Bersten von Prüfteilen, sondern bietet auch die sinnvolle Dimensionierung und Konzeption verschiedener Sicherheitskonzepte für Containments.

Je größer die Dimensionen der Bauteile, umso umfassender die Auswirkungen bei einem Bersten. Will man die Prüfkammern nicht nur für einen einmaligen Versuch nutzen, ist deren sinnvolle Auslegung essentiell. Durch die Kombination unterschiedlicher Simulationstechnologien berechnet Merkle & Partner das Bersten entsprechender Bauteile und nutzt die Daten zur sinnvollen Auslegung der Prüfkammern sowie für entsprechende Sicherheitskonzepte.

„Die Anforderung an die Druckfestigkeit von Behältern ist kontinuierlich gestiegen“, so Stefan Merkle, Geschäftsführer der Merkle & Partner, und ergänzt: „Wasserstofftanks für Fahrzeuge werden bereits bei bis zu 2.500 bar getestet. Die Dimensionen liegen hier im Bereich von etwa einem Meter. In Bohrgestängen für die Öl- oder Gasförderung treten Drücke im Bereich von bis zu 1.000 bar auf, bei Längen von bis zu 15 m. Wenn man bedenkt, dass der Wasserdruck an der tiefsten Stelle des Weltmeeres bei 11.000 km circa 1.070 bar beträgt, arbeiten wir bereits mit enormen Kräften. Schon heute werden technische Teile mit kleinen Dimensionen gefertigt, die Spitzendrücken von 25.000 Bar aushalten.“

Bei Druckprüfungen werden hohe Energiemengen freigesetzt. Luft beispielsweise kann extrem komprimiert werden und speichert entsprechend viel Energie, die beim Bersten freigesetzt wird. Daher wird für Versuche zumeist Wasser eingesetzt. Auch dieses wird nicht unerheblich komprimiert, wodurch die Gesamtenergien bei typischen Anwendungen der Energie eines Kleinwagens bei einer Geschwindigkeit von 120 km/h oder der Sprengkraft von 0,2 kg TNT entsprechen. Beim Testen können im ungünstigsten Fall ganze Prüfkammern zerstört werden. Ganz abgesehen von der Sicherheit involvierter Mitarbeiter.

„Wir können das Verhalten einer Hochdruckpumpe mit einem Gewicht von 25 Tonnen beim Bersten unter Innendruck von 300 bar genauso simulieren, wie das Verhalten von Gastanks. Unabhängig davon, ob es sich beim Prüfmedium um Wasser oder Gas handelt“, so Stefan Merkle. Dabei werden das Versagen des Behälters, das Verhalten der Bruchstücke, aber auch der Wasseraufschlag auf die Behälterwandungen physikalisch genau abgebildet. Dimensionen der Prüfkammern und entsprechende Sicherheitskonzepte lassen sich so maßgeschneidert bestimmen.

Merkle & Partner hat sich mit einer eigenen Abteilung innerhalb des 50-Mann starken Unternehmens auf die Auslegung von Containments spezialisiert. „Meine Erfahrung ist, dass die Risiken im Bereich von Druckprüfungen in Testings oft unterschätzt werden. Wir können die Dimensionen der Prüfkammer und das Konzept maßgeschneidert bestimmen. Ohne, dass sinnlos Material verbaut wird. Mit der Sicherheit, dass Containments den jeweiligen Testings stand halten können. Das spart Kosten und gibt Sicherheit“, so Stefan Merkle.

Das Ingenieurbüro Merkle & Partner in Heidenheim wurde 1989 vom Luft- und Raumfahrtingenieur Stefan Merkle gegründet und zählt zu den ersten Dienstleistern ingenieurwissenschaftlicher Berechnungen und Simulationen in Deutschland. Am Hauptsitz Heidenheim und den Niederlassungen Hamburg und Homburg/Saar bearbeiten die 50 Mitarbeiter jedes Jahr rund 500 Kundenprojekte aus den Kerngebieten Strukturanalyse, Strömungssimulation und virtuelle Produktentwicklung. Zum Kundenkreis zählen namhafte Unternehmen aus dem Maschinen- und Anlagenbau, der Luft- und Raumfahrttechnik, der Automobilindustrie und dem Schiffbau.

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