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Gut zu wissen: Inventor besser verstehen - Fläche löschen
Autor Thema:   Wie Druckminderung durch Metallmembran bestimmen? (915 mal gelesen)
Nickman
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Hallo Zusammen,
ich versuche grade mittels Inventor 2020, überschlägig die Druckminderung, die ich mit einer Metallmembran erreiche, zu bestimmen. Das Ganze sieht vereinfacht so aus, dass ich einen Behälter habe, der mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Der Deckel des Behälters ist eine dünne Metallwand. Auf diesen Deckel wirkt von außen ein Druck.
Ich möchte bestimmen, welcher Druck sich in der Flüssigkeit im Inneren des Behälters einstellt, wenn außen auf den Deckel ein bestimmter Druck wirkt. Meine Idee: Den äußeren Druck als Last für den Deckel vorgeben und bestimmen, welche Kraft sich auf der Innenseite des Deckels einstellt. Aus dieser Kraft kann dann wiederum der Druck berechnet werden.
Leider habe ich so etwas noch nie gemacht, weder mit Inventor noch mit einem anderen Programm und weiß nicht richtig, wie ich die sich auf der Innenseite einstellende Kraft bestimmen kann. Gibt es dafür eine Funktion in IV?
In einem ersten Versuch habe ich einfach eine Scheibe erstellt, den Rand als fest definiert und einen Druck an der Oberseite der Scheibe angegeben. Wie ich nun den Druck bzw. die Kraft auf der Unterseite der Scheibe bestimme, weiß ich leider nicht. Aktuell biegt sich die Scheibe bei der Belastungsanalyse durch und die entsprechende Spannung und Verschiebung wird angegeben.

Viele Grüße
Nick

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freierfall
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so was errechnet mal mit CFD und nicht FEM. herzlich Sascha

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Leo Laimer
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erstellt am: 02. Jan. 2020 16:17    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Nickman 10 Unities + Antwort hilfreich

FEM ist für dünne Objekte nur bedingt geeignet. Wenn CFD sowas kann ist das sicher der viel bessere Weg.

Bei Deinem konkreten Beispiel fehlen mir ein paar Angaben, z.B. was für ein Medium auf der Innenseite ist. Du sagst "Flüssigkeit", es kommt da aber auf vielerlei Details an, grob gesagt geht's darum ob und wieweit sich das System im Behälter komprimieren lässt.
Wenn die Komprimierbarkeit (nahezu) null und gleichzeitig die Membran sehr elastisch ist, herrscht jedenfalls auf Aussen- und Innenseite der Membran (nahezu) derselbe Druck.

------------------
mfg - Leo

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Nickman
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Hallo,
danke für eure Antowrten. Ich habe noch keine genaue Flüssigkeit ausgewählt, wäre aber in Richtung Hydrauliköl gegangen. Der Druck im Inneren soll ca. Faktor 100 kleiner sein als außerhalb. Es scheint also so, dass Inventor hier nicht geeignet ist. Ich hatte gehofft, dass man das man eine einfache, grobe Lösung bekommen könnte.
Ich schaue mal, ob ich über die Uni ein CFD-Programm kostenlos bekomme.

Viele Grüße
Nick

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Leo Laimer
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erstellt am: 02. Jan. 2020 17:19    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Nickman 10 Unities + Antwort hilfreich

Nochmals logisch überlegt:
Wenn die Elastizität der Membrane wesentlich höher (= weicher) ist als das System im Behälter, also wenns eine "dünne" Membrane gegen einen vollkommen gefüllten Hydraulikbehälter (der auch kein Entweichen der Flüssigkeit zulässt) ist, wird Innendruck nahezu gleich Aussendruck sein.
Wenn die Flüssigkeit drucklos entweichen kann wird der Innendruck = Umgebungsdruck sein.

Also frag ich mich jetzt welche genauen Randbedingungen denn bei Deinem Beispiel herrschen damit man da überhaupt was sinnvolles berechnen kann?

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mfg - Leo

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Nickman
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Hallo,
die Membran ist aus Stahl und wird nicht sehr dünn sein, der Druck soll um Faktor 100 abgeschwächt werden (angenommen 1000 bar auf der Außenseite --> 10 bar auf der Innenseite). Ziel ist hier, die benötigte Dicke der Membran zu bestimmen (das kann aber ruhig durch Ausprobieren verschiedener Dicken geschehen. Die Flüssigkeit kann nicht aus dem Behälter entweichen.

Ich hoffe, es wird etwas klarer, was ich meine.

Viele Grüße
Nick

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Leo Laimer
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Also kommt meiner Einschätzung nach die Elastizität sowohl der Flüssigkeit als auch des Druckbehälters incl. des gesamten flüssigkeitsführenden Systems (Stutzen, Ventile usw.) ins Spiel.

Da sag ich mal wird das FEM von IV komplett aussteigen.

------------------
mfg - Leo

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Roland Schröder
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Moin!

Das Problem ist hier nicht die Software.   

    Eine Membran ist kein Druckminderer.

    CFD ist hier unangebracht, denn es fließt nichts.

    Die Inventor-FEA kann durchaus eine solche Memran berechnen. Schwierig wäre nur, die genaue Formänderung für weitere Berechnungen zu nutzen, was, wie im Folgenden erklärt, nötig ist.

Die Membran verformt sich elastisch proportional zum Druckunterschied. Diese Verformung veringert das Kammervolumen. Je nach Elastizität der Kammer und Kompressibilität der Kammerfüllung stellt sich daraufhin in der Kammer ein neuer Druck ein. Diese beiden Effekte kann man ins Verhältnis setzen und durch entsprechende Auslegung der Komponenten erreichen, dass die Druckänderung in der Kammer theoretisch um einen bestimmten Faktor geringer ist als vor der Membran. Aber kleinste Veränderungen z. B. der Temperatur hätten großen störenden Einfluss. Dieses Prinzip ist, vorsichtig ausgedrückt, nicht verlässlich.

------------------
Roland  
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freierfall
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erstellt am: 03. Jan. 2020 04:46    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Nickman 10 Unities + Antwort hilfreich

Guten Morgen, ich muss gestehen, dass bei mir das Wort Membrane als ein fluiddurchlässige durchlässiges Gebilde im Kopf hatte. CFD kann auch geschlossene nicht fliessende Drucksysteme berechnen. FEM kann die Durchbiegung und CFD könnte hier das Fluid danach betrachten.

Nur sorry dass ich das Frage, kannst du nicht irgendwie das Volumen der Durchbiegung rausbekommen, geht so was mittels FEM? Mit dem Verdrängungsvolumen könnte man doch den Druck rausbekommen und der mit dem Volumen der Flüssigkeit zusammenhängt. Dafür müsste es eine Formel irgendwo geben. Im Grund kann man sich das dann das Verdrängungsvolumen dann z.B. auf einen Kolbenhub übertragen und dies wurden bestimmt schon sehr oft berechnet und da dürfte es viele Beispiele geben. So ein geschlossenes Kolbensystem kann man mit CFD berechnen, nur leider nicht allen. Floefd / SWX CFD kann es nicht.

herzlich Sascha

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Manfred Gündchen
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erstellt am: 03. Jan. 2020 09:04    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Nickman 10 Unities + Antwort hilfreich

Wenn ich Deine Beschreibung richtig verstehe, willst Du ein ausgeglichenes System schaffen.
Wenn dem so ist, ist die Kraft auf beiden Seiten der gleich großen Membran(Flächen) gleich.
Setze also den Druck der einen Seite als Produkt von Kraft zu Fläche zur anderen Seite ins Verhältnis.
Sollte im Ergebnis gleich sein - oder?
Ansonsten wird die Membran so lange nachgeben bis es wieder zum Ausgleich kommt. Die Spannung in der Membran ist auch nach dem oben angesetzten Lösungsweg berechenbar.
Wie daraus die Verformung aussieht, bzw. die Form der Membran, kann ich mir vorstellen, aber kann der IV das auch per FEM berechnen und darstellen?

------------------
In diesem Sinne wünsche ich allen, weiterhin effektives Schaffen

----------------
Manfred Gündchen
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freierfall
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erstellt am: 03. Jan. 2020 09:56    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Nickman 10 Unities + Antwort hilfreich

nee das glaube ich nicht Manfred, denn wenn du die Platte so dick wählst, dass es keine Durchbiegung gibt und dann wird es keinen Kraft auf der anderen Seite geben. herzlich Sascha

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rode.damode
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erstellt am: 03. Jan. 2020 10:54    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Nickman 10 Unities + Antwort hilfreich


Druckuntersetzer.JPG

 
Hallo Nick

Wenn es ein bestimmter und konstanter Faktor sein soll, dann würde ich das so machen.

Viele Grüße
Roger

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Nickman
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DurchbiegungMetallscheibe.png

 
Hallo Zusammen,
das Wort Membran ist wirklich nicht der passende Begriff.
Anschaulicher wird mein Problem hoffentlich so: Ich habe eine Metallscheibe, sagen wir 1,5 mm dick. Die Metallscheibe ist an ihrem Rand fest eingespannt. Auf der Unterseite der Metallscheibe befindet sich eine geschlossene Kammer, die drucklos mit einem Fluid gefüllt ist. Auf der Außenseite befindet sich ein Fluid mit einem Druck von 100 bar. Die Fläche der Scheibe ist bei beiden Kammern gleich. Wäre auf der Unterseite kein Fluid, würde sich die Scheibe einfach durchbiegen. Da jetzt aber auf der Unterseite ein Fluid ist, wirkt dieses der Durchbiegung entgegen und es stellt sich ein Druck in diesem Fluid ein. Der Druck in dem unteren Fluid ist aber kleiner als der in dem oberen. Das Material der Scheibe nimmt bei der Verformung Kräfte auf und "schluckt" so einen Teil des aufgebrachten Drucks. Ziel ist es, den Druck zu bestimmen, der sich in der unteren, geschlossenen Kammer einstellt.
Das angehängte Bild zeigt dieses vereinfachte Beispiel.

Ich dachte erst, ich könnte einfach die Verformung der Metallscheibe ermitteln und aus dem veränderten Volumen den Druck in dem unteren Fluid berechnen. Ich denke aber nicht, dass das funktioniert, weil sich die Scheibe nicht einfach so durchbiegt, wenn unter ihr ein Fluid vorhanden ist, dass dieser Verformung entgegenwirkt.

Viele Grüße
Nick

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Roland Schröder
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Du hast also noch gar nicht gelesen, was ich Dir schrieb?

------------------
Roland  
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Hallo Roland,
ich habe deine Antwort gelesen. Ich habe verstanden, dass es nicht so einfach mit IV umsetzbar ist, da das Fluid hier eine wichtige Rolle spielt und auch verstanden, warum das Prinzip in der Praxis nicht sinnvoll einsetzbar ist. Ich habe meinen letzten Post verfasst, weil ich dachte, mein Aufbau wäre nicht für alle verstndlich beschrieben gewesen. Es gab noch andere Antworten und ich bin nicht auf jede einzeln eingegangen, ich wollte dir damit nicht vor den Kopf stoßen.
Ich bin in meinem Fall leider darauf angewiesen, es mit diesem Prinzi umzusetzen. Von einer ersten, schnellen Rechnung muss ich mich wohl leider verabschieden.

Viele Grüße
Nick

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Roland Schröder
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erstellt am: 03. Jan. 2020 16:21    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Nickman 10 Unities + Antwort hilfreich

Zitat:
Original erstellt von Nickman:
...leider darauf angewiesen
Na dann. Man kann es ja versuchen, und auch wenn es schief geht, ist es eine vielleicht nützliche Erfahrung.

Und Membran ist hier der völlig korrekte Ausdruck. Es gibt eben verschiedene Ausprägungen einer Membran, weich, durchlässig und halt auch steif und dicht.

Um den beabsichtigten Aufbau zu berechnen, kannst Du das Ganze als Parallelschaltung zweier Federn betrachten, das ist kein Hexenwerk. Es ist dafür allerdings zwingend notwendig, die Nachgiebigkeit des Fluids in der Kammer (Kompressibilität plus elastische Verformung der Kammer) genau zu bestimmen und anzugeben in der Dimension Volumen pro Druck.

Für die Volumenveränderung durch die vom Differenzdruck hervorgerufene Verformung der Membran liefert die FEA eine Art Federkonstante in mm pro bar. Wenn die verformte Geometrie nicht direkt verfügbar ist (was ich befürchte), kannst Du stattdessen anhand der berechneten Durchbiegung mit Inventor leicht einen Ersatzkörper modellieren und dessen Volumen auslesen, was dann auf ebenfalls eine "hydraulische Federkonstante" in der Dimension Volumen pro Druck führt.

Der Rest ist dann nur noch Algebra. Man könnte es sogar grafisch lösen durch Schnitt zweier Geraden.

Inventorspezifisch ist das alles nicht.

------------------
Roland  
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Steffen595
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erstellt am: 03. Jan. 2020 23:35    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Nickman 10 Unities + Antwort hilfreich

der Druckbehaelter unter der Membran kann sich verformen, dann gibt die Fluessigkeit nach? Ansonsten wird das nix. Darum nimmt man Gas.....

------------------
alle Räder stehen still, wenn Kinematiks starker Arm das will

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Hohenöcker
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Country und Western!

erstellt am: 04. Jan. 2020 11:50    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Nickman 10 Unities + Antwort hilfreich

Roland und Roger haben schon alles gesagt. Die Durchbiegung ist nur abhängig vom Druckunterschied.
Als Druckminderer ist das Prinzip nicht geeignet, schon gar nicht um den Faktor 100.
Mach es, wie Roger vorgeschlagen hat.

------------------
Gert Dieter 

Jeder Philosoph kann auch ein guter Mechaniker sein.
Ramon Llull

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Torsten Niemeier
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** CSWP 04/2011 **
** CSWE 08/2011 **

erstellt am: 04. Jan. 2020 13:30    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Nickman 10 Unities + Antwort hilfreich

Zitat:
Original erstellt von Hohenöcker:
Die Durchbiegung ist nur abhängig vom Druckunterschied.

Blöd nur, dass der Druckunterschied wiederum von der Durchbiegung abhängig ist.
Und von der Steifigkeit des umgebenden Behälters.

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Manfred Gündchen
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erstellt am: 04. Jan. 2020 17:37    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für Nickman 10 Unities + Antwort hilfreich

...wie schon hier angeführt geht es zunächst mal um allgemeine mechanische Grundlagen um die Aufgabenstellung zu lösen.
Die sollte der Nickman(n) jetzt mal rauskramen, oder die hier teilweise mehr als deutlichen Hinweise mal tatsächlich berücksichtigen.

Mal so zur Zusammenfassung der Prinzipien.
Aktio = Reaktio!
Systemgrenzen bestimmen und freimachen!
Ein paar Annahmen festlegen, oder bestimmen!

In diesem Sinne...

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