LaLaBand ist die Abkürzung des Projekttitels "Simulation des Lateralen Laufverhaltens von schwach gespannten Prozessstahlbändern"

Projektbeschreibung

Das Ziel des Projekts, gefördert von der österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG (ID-Nummer 861493), ist die genaue Simulation des unerwünschten Phänomens des lateralen Verlaufens, welches ein erhebliches Risiko für den Betrieb von Prozessstahlbändern bei geringer Bandspannung darstellt. Unabhängig vom konkreten Anwendungsfall benötigt jede Bandmaschine ein aktives Regelsystem, um das Ablaufen des Bandes in lateraler Richtung (in Richtung der Trommelachsen) zu verhindern. Bei niedrigen Bandspannungen und damit erhöhtem Durchhang verstärkt sich das laterale Verlaufen jedoch derart, dass es mit den derzeit verfügbaren Reglern nicht mehr beherrschbar ist.

Wir entwickeln deshalb ein Simulationsmodell für den Betrieb von schwach gespannten Prozessstahlbändern, um einen Einblick in die Mechanismen des lateralen Verlaufens zu gewinnen und so eine solide Grundlage für verbesserte Regelungskonzepte zu schaffen.

Am Weg zum digitalen Zwilling für Prozessstahlbänder

Die Implementierung eines numerischen Simulationstools für Stahlbandantriebe ist aus mehreren Gründen herausfordernd: Jeder materielle Punkt des Bandes führt eine umlaufende Bewegung aus und erfährt im Zuge eines Umlaufs auch große transversale Verschiebungen beim Passieren der verschiedenen Bereiche (frei hängende Abschnitte & Kontaktzonen). Des Weiteren müssen die geometrischen Imperfektionen des Stahlbandes konsistent berücksichtigt werden, da diese die Hauptursache für das laterale Verlaufen darstellen. Außerdem sind der reibungsbehaftete Kontakt mit den Trommeln als auch die im Verhältnis zur Biegsamkeit extreme Membransteifigkeit des dünnen Stahlbandes aus numerischer Sicht schwierig zu behandeln.

Unser speziell dafür entwickeltes Finite-Elemente-Schalenmodell löst diese Probleme effizient durch:

• eine gemischt-kinematische Beschreibung der primären Variablen, welche den Materialfluss in axialer Richtung über die Grenzen des nicht-materiellen Finite-Elemente-Netzes ermöglicht (ähnlich zu ALE-Formulierungen)
• die Berücksichtigung geometrischer Imperfektionen mittels intrinsischer Verzerrungen einer schubstarren Kirchhoff-Love-Schale
• die Kontaktmodellierung mit Hilfe einer Formulierung mit erweiterten Straftermen (“augmented penalty-regularisation“)

Zur Validierung des Simulationstools wird eine Reihe von physikalischen Experimenten an einem realen Stahlbandantrieb durchgeführt. Zusätzlich wird ein Finite-Elemente-Modell mit Hilfe von Balkenelementen entwickelt, um das rechenintensivere Schalenmodell zu ergänzen.

Abbildung: graphischer Abstrakt der Veröffentlichung https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0020740321003076, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster; veröffentlicht als Open-Access (CC BY 4.0)

Veröffentlichungen

Scheidl, Jakob, and Yury Vetyukov. "Review and perspectives in applied mechanics of axially moving flexible structures., öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" Acta Mechanica 234, no. 4 (2023): 1331-1364.

Schmidrathner, Christian, Yury Vetyukov, and Jakob Scheidl. "Non‐material finite element rod model for the lateral run‐off in a two‐pulley belt drive, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" ZAMM‐Journal of Applied Mathematics and Mechanics/Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik 102, no. 1 (2022): e202100135.

Scheidl, Jakob, Yury Vetyukov, Christian Schmidrathner, Klemens Schulmeister, and Michael Proschek. "Mixed Eulerian–Lagrangian shell model for lateral run-off in a steel belt drive and its experimental validation, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster" International Journal of Mechanical Sciences 204 (2021): 106572.

Kooperationspartner

• Berndorf Band GmbH
• Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft (FFG)

Projektdauer

• Jänner 2018 - Dezember 2020

Weitere Projekte

• Roll Forming
• Hot Rolling
• Crown Manager

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