1 Problemstellung
Bei Fahrschachtabschlusstüren kommt es bei starker Sonneneinstrahlung auf die Türblätter gepaart mit hohen Außentemperaturen häufig zu Betriebsstörungen. Der Grund hierfür liegt an dem erheblichen Temperaturunterschied zwischen der Außen- und Innenseite der Türblätter. Die daraus resultierenden unterschiedlichen Materialausdehnungen führen zu so starker Krümmung, dass sich die Türblätter untereinander verkeilen.
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden verschiedene Möglichkeiten und Maßnahmen evaluiert, mit denen die beschriebene Problematik verbessert werden kann.
2 Mögliche Maßnahmen
2.1 Passive Maßnahmen
• Die Materialstärke der Versteifungsschienen im Türblattinneren erhöhen.
• Einsatz von Werkstoffen wie Kohlefaser-Laminat mit sehr geringer Temperaturdehnung auf der Innenseite der Türblattfront.
• Beschichtungen der Türblattinnenseiten mit Emailelacken zur besseren Wärmeübertragung durch Strahlung.
• Aufbringen einer zusätzlichen Türblattverkleidung wodurch eine höhere Isolierwirkung erzielt wird.
• Einbringen von Thermoleitprofilen um die Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Innenseite zu reduzieren.
2.2 Aktive Maßnahmen
• Schachtseitig angebrachte Heizelemente im Türblatt.
• Erzwungene Konvektion durch Lüfter im Türblatt.
3 FE-Berechnung als Entscheidungsgrundlage
3.1 Modellbeschreibung
Zur Berechnung des Türblattverhaltens wurde im Finite-Element-Programm ANSYS ein parametrisiertes Modell erstellt (siehe Abbildung 1 und 2). Alle Abmessungen inkl. Position und Dicke sowie Materialeigenschaften können leicht verändert werden.
Die Modellerstellung erfolgt für ein doppelwandiges Blechtürblatt mit 4 m Höhe.
Zur Simulation der Sonneneinstrahlung für die thermische Berechnung wurde eine Fläche erstellt, die mit einer Leistung von 1 KW/m2 Wärme abstrahlt. Dies entspricht der maximalen Leistung bei senkrechter Sonneneinstrahlung. Demnach sind die rechnerisch ermittelten Temperaturgradienten und damit auch die Temperaturverformungen deutlich größer, als sie im realen Bereich auftreten würden. Die tatsächliche Temperaturverteilung unter Sonneneinstrahlung müsste noch in Versuchen ermittelt werden, um die Berechnungsergebnisse zu verifizieren. Ein Mustertürblatt mit der Höhe 1 m wurde getestet (siehe Abschnitt 5.3)
3.2 Berechnungen
Im Folgenden sind die Ergebnisse der Berechnung zusammengefasst, die als Grundlage zur Entscheidung für die geeignetste Lösung der eingangs beschriebenen Problematik herangezogen wurden.
3.2.1 Basismodell
Für das Basismodell ergibt sich die in Abbildung 3 dargestellte Temperaturverteilung. Im Bereich der Schienen ist zu erkennen, dass dort Wärme zur Rückwand des Türblattes geleitet wird. Der Temperaturgradient ist so beträchtlich, dass es auf Grund der unterschiedlichen Temperaturausdehnungen zu der in Abbildung 4 dargestellten Verformung des Türblatts kommt. Die maximale Verformung beträgt dabei 18,8 mm.
Da die Temperaturverteilungen im Wesentlichen sehr ähnlich sind, werden im Folgenden lediglich diejenigen bildlich dargestellt, bei denen größere Unterschiede zum Basismodell zu erkennen sind. Auf die Darstellung des zugehörigen Verformungsbildes wird verzichtet.
3.2.2 Erhöhung der Materialstärke der Versteifungsschienen
Es wurde eine Verdopplung der Materialstärke auf 3 mm untersucht. Auf Grund der sehr geringeren höheren Wärmeleitung reduzierte sich der Temperaturgradient allerdings nur um 2 °C. Zusammen mit der höheren Steifigkeit der Schienen verringert sich die Verformung auf 16,3 mm.
3. 2. 3 Kohlefaser-Laminat
Der Einfluss eines Kohlefaser-Laminats beruht auf der äußerst geringen Wärmedehnung dieser Werkstoffe, wodurch die erwärmte Außenseite des Türblattes an der Ausdehnung gehindert werden soll. Der Temperaturgradient steigt auf Grund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Kohlefaser-Laminats um 1 °C an. Bei einem 3 mm starken Laminat reduziert sich der Verformungsweg auf 8,6 mm.
3.2.4 Beschichtung der Türblattinnenseiten
Weiter wurde untersucht, inwieweit der Wärmeaustausch im Türblatt durch die Wärmestrahlung gesteigert werden kann. Bei einem verzinkten Stahlblech liegt der Emissionskoeffizient bei 0,25. Eine mit weißem Emaillelack beschichtete Oberfläche liegt dagegen bei 0,92. Der Temperaturgradient reduziert sich um 7 °C, wodurch die Verformung auf 15,8 mm verringert wird.
3.2.5 Aufbringen einer zusätzlichen Türblattverkleidung
Die Simulation einer mit Edelstahl verkleideten Türblattaußenseite erfordert ein detaillierteren Modellquerschnitt. Abbildung 5 zeigt die Temperaturverteilung der Basisversion, in Abbildung 6 ist die Temperaturverteilung bei verkleideter Außenoberfläche zu sehen. Hierbei wurde auch der Einfluss der Verklebung zwischen Schienen und Türblech berücksichtigt. Der Temperaturgradient verringerte sich nur um 2 °C.
3.2.6 Einbringen von Thermoleitprofilen
In den weiteren Modellen wurde untersucht wie Thermoleitprofile den Temperaturdurchgang zur schachtzugewandten Innenseite verbessern können. Hier wurden verschiedene Geometrien und Materialstärken berechnet. Der maximale Temperaturgradient verringerte sich um 5 °C, somit lässt sich die Verformung auf 13,5 mm reduzieren.
4 Ergebnisdiskussion und Auswahl näher zu untersuchender Lösungen
Bei der Variante mit verstärkten Versteifungsschienen (Abschnitt 3.2.2) war die erzielbare Reduktion der Temperaturverformung nicht groß genug um weiter untersucht zu werden, zumal der Zuwachs der Strukturmasse in keinem Verhältnis zur erzielbaren Verformungsreduktion steht.
Mit einem Kohlefaser-Laminat im Inneren des Türblatts (Abschnitt 3.2.3) lässt sich eine deutlich Reduktion der Temperaturverformung erzielen. Jedoch sind die Kosten für diesen Werkstoff mit etwa 1500,– € pro Türblatt sehr hoch und somit nicht wirtschaftlich.
Bei mit Emailelack beschichteten Innenflächen des Türblatts lässt sich ein guter Wärmetransfer erzielen. Als alleinige Maßnahme ist sie jedoch nicht ausreichend und müsste mit einer anderen Variante kombiniert werden. Die Beschichtung mit Emailelack wird als optionale Maßnahme betrachtet.
Die Verkleidung der Türblattaußenseite mit Edelstahl kommt wegen der sehr geringen Reduzierung der Temperaturgradienten nicht in Frage.
Das Einbringen von Thermoleitprofilen (Abschnitt 3.2.6) trägt positiv zum Temperaturausgleich bei und verringert damit die temperaturbedingte Verformung. Dies liegt unter anderem auch daran, dass der Temperaturgradient innerhalb der Profile selbst sehr gering ist, sodass diese sich auf Grund der Temperaturdehnung deutlich weniger stark krümmen.
Aktive Maßnahmen wie sie in Abschnitt 2.2 vorgeschlagen wurden eingehend diskutiert. Ihr Einsatz erfordert einerseits einen nicht erheblichen Aufwand für Stromversorgung und Regelung. Andererseits ist eine Wartung und gegebenenfalls Instandsetzung der im Türblatt eingebrachten Komponenten sehr schwierig.
Aus diesen Gründen wurde eine Lösung durch den Einsatz von Thermoleitprofilen favorisiert.
5 Einsatz von Thermoleitprofilen
Um den Effekt beim Einsatz von Thermoleitprofilen zu ermitteln, wurden die Berechnungsmodelle entsprechend erweitert. Bei den jetzt, im Hinblick auf wirtschaftliche Fertigung gestalteten Geometrien wurden diese parametrisiert im Modell aufgebaut. Eine Optimierung der Abmessungen kann somit schnell durchgeführt werden.
5.1 Untersuchung der Verbindungstechnik zwischen Thermoleitprofil und Türblech
Wegen der unterschiedlichen Längenausdehnung der Thermoleitprofile gegenüber dem Türblatt aus Stahl wurden verschiedene Fügeverfahren wie Klemmen, Toxen, Nieten und Kleben untersucht. Die Wärmeleitprofile wurden hierzu im FE-Modell mittels so genannter „Constraint Equations“ an das restliche Modell gekoppelt.
Der Unterschied in der Verformung der Verbindungsvarianten war kaum von Bedeutung. Es wurde deshalb als sinnvoll angesehen, die sich bereits in der Fertigung etablierte Verbindungstechniken beizubehalten.
5.2 Untersuchung zur Anzahl der verwendeten Thermoleitprofile
In weiteren Modellen wurde untersucht, ob eine höhere Anzahl von Profilen das Verformungsverhalten verbessern kann. Damit die Strukturmasse nicht in gleichem Maße steigt, werden die Wandstärken so gewählt, dass die Gesamtmasse auch im Verhältnis zum Originaltürblatt konstant bleibt. Um das Modell nochmals zu verifizieren wurde eine weitere Berechnung mit Stahl als Werkstoff für die Thermoleitprofile durchgeführt. Die Verformung ist wie zu erwarten sehr hoch.
5.3 Mustertürblatt
Um die Berechnungsmodelle und die darin enthaltenen Idealisierungen zu überprüfen wurde ein Mustertürblatt gefertigt.
5.3.1 Versuchsaufbau
Das Mustertürblatt hat eine Gesamthöhe von einem Meter. Die Thermoleitprofile sind über die Türblattfläche gleichmäßig verteilt. Im Querschnitt auf halber Türblatthöhe sind insgesamt 6 Temperatursensoren und 4 Dehnungsmessstreifen angebracht.
Den Messaufbau zeigt Abbildung 9. Das Mustertürblatt ist an den üblichen Lagerpunkten in einem steifen Rahmen gehängt. Die Wärmezufuhr erfolgt über einen gasbetriebenen Heizstrahler, der in einem Abstand von ca. 30 cm auf die Mitte der Türblattfront strahlt. Der Abstand wurde so gewählt, dass sich am Temperatursensor in der Mitte der Türblattfront eine Temperatur von 65 °C einstellt. Abbildung 10 zeigt die Verläufe der Temperaturen an den 6 Messstellen während der Aufheiz- und Abkühlphase. Der Aufheizvorgang wurde dabei solange durchgeführt bis sich ein stationärer Zustand eingestellt hatte. Die Abkühlphase sollte weitere Daten zur Beurteilung des Messsystems liefern. Mit den Dehnungsmessstreifen wurden nur sehr geringe Dehnungen gemessen. Hierdurch konnten keine besonderen Erkenntnisse gewonnen werden.
5.3.2 Versuchsergebnisse
Betrachtet man die Temperaturverläufe, so steigt die Temperatur in der Mitte dem Strahler zugewandten Seite am stärksten. Mit zeitlicher Verzögerung folgen die Temperaturen der Messstellen an den Thermoleitprofilen und mit weiterer Verzögerung die Temperatur in der Mitte der Türblattrückwand. Wie bereits in dem Berechnungsmodell ermittelt liegen die Temperaturen der Messstellen an den Thermoleitprofilen von der dem Heizstrahler zugewandten Seite zur Rückwand gesehen dicht beieinander. Der Unterschied zwischen den Messpunkten erklärt sich durch die Unsymmetrie im Querschnitt des Türblatts. Beim Abkühlen liegen die Temperaturen binnen sehr kurzer Zeit beisammen, wobei wie erwartet die Temperaturen innen etwas höher sind als außen. Das Verhalten spricht somit für einen zuverlässigen Messaufbau.
5.3.3 Vergleichsberechnung
Für die Vergleichsberechnung wurde ein Modell entsprechend dem Mustertürblatt erstellt. Zur Simulation des Heizstrahlers wurde die sonst zur Repräsentation der Sonneneinstrahlung verwendete Fläche verkleinert. Diese wurde die beim Versuch mit einem Temperaturmessfühler gemessenen Temperatur am Heizstrahler zugewiesen.
Positiv fällt beim Vergleich mit den gemessenen Werten auf, dass der rechnerisch ermittelte Temperaturgradient größer ist, als der experimentell gemessene. Dies lässt den Schluss zu, dass die Idealisierung der Wärmeübergänge zwischen Türblattblech und Thermoleitprofil korrekt ist. Der Unterschied kommt von der fehlenden Modellierung des Luftvolumens im Inneren des Türblatts. Der hierdurch zusätzlich wirksame Wärmeaustausch durch Wärmeleitung und Konvektion verringert den Temperaturgradienten weiter, was in einem einmalig erstellten sehr rechenaufwändigen Modell bestätigt werden konnte. Hier liegt der Unterschied zwischen Messung und Rechnung nur bei 2 %. Der rechnerisch ermittelte Verformungsweg liegt somit erwartungsgemäß ebenfalls über dem experimentell gemessenen.
Die gewonnenen Erkenntnisse können dazu beitragen, die Berechnungsergebnisse aus den Abschnitten 5.1 und 5.2 zu bewerten. Diese sind wie auch eingangs angenommen als konservativ einzustufen, d. h. sie liefern größere Verformungen als dies in der Realität der Fall ist.
5.4 Optimierung der Querschnittsabmessungen der Thermoleitprofile
Mit den nun verifizierten und bewerteten Modellen wurde abschließend eine Optimierung durchgeführt. Das Optimierungsziel war dabei eine Minimierung der temperaturbedingten Verformung unter Beibehaltung eines definierten Maximalgewichts der im Türblatt eingebrachten Thermoleitprofile. Die zu variierenden Designvariablen waren die Wanddicke der Flansche wie auch der Stege und die Höhe bzw. Breite der Flansche. Die Masse wurde dabei als so genannte Restriktion verwendet, die nicht verletzt werden darf. Als Zielfunktion wird die maximale Verformung in der Türblattmitte betrachtet und minimiert.
Zunächst wurde versucht mit dem in ANSYS integrierten gradientenbasierten Optimierer eine Lösung zu finden, was jedoch bei der hier vorliegenden Optimierungsaufgabe keinen Erfolg brachte. Nach dem Wechsel auf einen anderen Optimierer, der auf Approximationsmodellen aufbaut, konnten plausible Optima gefunden werden.
6 Zusammenfassung
Die Ergebnisse des Abschnitt 5 zeigen, dass die temperaturbedingte Verformung mit der Zahl der im Türblatt angeordneten Thermoleitprofilen abnimmt. Aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten, ist es jedoch nicht sinnvoll, mehr Profile einzubringen, als für die sichere Funktion der Fahrschachtabschlusstüren bei direkter Sonneneinstrahlung erforderlich sind.
Die Optimierung liefert plausible optimierte Querschnitte. Hier zeigt sich, dass bestimmte Geometrien bis zu 35 % bessere Ergebnisse erzielen. Allerdings dürfen eventuelle Probleme, die durch die eingesetzten Verbindungstechniken entstehen, nicht außer Acht gelassen werden.
