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Mechanischer Eingriff hochfrequent aktivierter Werkzeuge in Festgestein
Als Einstieg in diese Arbeit wird ein Überblick über den aktuellen Stand der Technik gegeben, der zeigt, dass die hochfrequente Aktivierung inzwischen in viele Bereiche Einzug gehalten hat. Die Aktivierungsmethoden sind meist durch resonantes Verhalten und Schwingungsverstärker gekennzeichnet. Der Antrieb erfolgt fast ausschließlich durch Piezoaktoren. Die daraus motivierte Untersuchung zur hochfrequenten Aktivierung von Werkzeugen zur Festgesteinszerstörung des Lehrstuhls für Baumaschinen und Fördertechnik der Technischen Universität Dresden wird kurz vorgestellt. Dabei wird darauf hingewiesen, dass zu Beginn der Arbeit Unklarheiten über das Verhalten hochfrequent aktivierter Werkzeuge herrschten. Darauf aufbauend werden die konkreten Fragestellungen formuliert und der Arbeitsplan aufgestellt. Auf drei Teilgebieten; den Recherchen, den Modellbildungen und Simulationen und in praktischen Versuchen am Prüfstand, werden Untersuchungen zur Klärung der gestellten Fragen durchgeführt. Die Modellierung des Werkzeugeingriffs erfolgt durch den Ansatz der linearen Elastizitätstheorie. In das daraus resultierende Modell des statischen Kontaktes fließt die dynamische Veränderlichkeit der Gesteinsfestigkeit ein. Es zeigt sich, dass die Dynamik der äußeren Belastung eine Veränderung der lokalen mechanischen Eigenschaften des Gesteins hervorrufen muss. Mithilfe eines selbst formulierten Versagenskriteriums, welches diese dynamischen Veränderungen berücksichtigt, kann gezeigt werden, dass unter den dynamischen Bedingungen des aktivierten Werkzeugeingriffs ein gegenüber dem konventionellen Eingriff verändertes Versagensverhalten auftritt. Die Beobachtungen aus praktischen Versuchen und theoretischen Simulationen weisen darauf hin, dass eine veränderte Position des maximalen Beanspruchungsquotienten und somit der Zone des primären Versagens provoziert werden kann. Dieser Hinweis kann für die spätere Anwendung der Technologie einen neuartigen Wirkansatz darstellen. Die anfangs diskutierte dynamische Veränderlichkeit des E-Moduls hat auf das Ergebnis der Simulationen des Werkzeugeingriffs nur einen sehr geringen Einfluss. Das Modell der Piezoaktorik berücksichtigt die Besonderheiten von Piezoaktoren unter Großsignalbedingungen im teilgeklemmten Zustand. Weiterhin wird auch das umliegende elektrische System in die Betrachtungen einbezogen. Damit besteht ein Hilfsmittel zur Auslegung und Simulation des piezoaktorischen Systems. Dieses dient dazu, den energetisch besten Betriebspunkt für das hochfrequent aktivierte Werkzeug im Bereich seiner mechanischen ersten Eigenfrequenz zu identifizieren.
Mechanischer Eingriff hochfrequent aktivierter Werkzeuge in Festgestein
Als Einstieg in diese Arbeit wird ein Überblick über den aktuellen Stand der Technik gegeben, der zeigt, dass die hochfrequente Aktivierung inzwischen in viele Bereiche Einzug gehalten hat. Die Aktivierungsmethoden sind meist durch resonantes Verhalten und Schwingungsverstärker gekennzeichnet. Der Antrieb erfolgt fast ausschließlich durch Piezoaktoren. Die daraus motivierte Untersuchung zur hochfrequenten Aktivierung von Werkzeugen zur Festgesteinszerstörung des Lehrstuhls für Baumaschinen und Fördertechnik der Technischen Universität Dresden wird kurz vorgestellt. Dabei wird darauf hingewiesen, dass zu Beginn der Arbeit Unklarheiten über das Verhalten hochfrequent aktivierter Werkzeuge herrschten. Darauf aufbauend werden die konkreten Fragestellungen formuliert und der Arbeitsplan aufgestellt. Auf drei Teilgebieten; den Recherchen, den Modellbildungen und Simulationen und in praktischen Versuchen am Prüfstand, werden Untersuchungen zur Klärung der gestellten Fragen durchgeführt. Die Modellierung des Werkzeugeingriffs erfolgt durch den Ansatz der linearen Elastizitätstheorie. In das daraus resultierende Modell des statischen Kontaktes fließt die dynamische Veränderlichkeit der Gesteinsfestigkeit ein. Es zeigt sich, dass die Dynamik der äußeren Belastung eine Veränderung der lokalen mechanischen Eigenschaften des Gesteins hervorrufen muss. Mithilfe eines selbst formulierten Versagenskriteriums, welches diese dynamischen Veränderungen berücksichtigt, kann gezeigt werden, dass unter den dynamischen Bedingungen des aktivierten Werkzeugeingriffs ein gegenüber dem konventionellen Eingriff verändertes Versagensverhalten auftritt. Die Beobachtungen aus praktischen Versuchen und theoretischen Simulationen weisen darauf hin, dass eine veränderte Position des maximalen Beanspruchungsquotienten und somit der Zone des primären Versagens provoziert werden kann. Dieser Hinweis kann für die spätere Anwendung der Technologie einen neuartigen Wirkansatz darstellen. Die anfangs diskutierte dynamische Veränderlichkeit des E-Moduls hat auf das Ergebnis der Simulationen des Werkzeugeingriffs nur einen sehr geringen Einfluss. Das Modell der Piezoaktorik berücksichtigt die Besonderheiten von Piezoaktoren unter Großsignalbedingungen im teilgeklemmten Zustand. Weiterhin wird auch das umliegende elektrische System in die Betrachtungen einbezogen. Damit besteht ein Hilfsmittel zur Auslegung und Simulation des piezoaktorischen Systems. Dieses dient dazu, den energetisch besten Betriebspunkt für das hochfrequent aktivierte Werkzeug im Bereich seiner mechanischen ersten Eigenfrequenz zu identifizieren.
Mechanischer Eingriff hochfrequent aktivierter Werkzeuge in Festgestein
Ebenhan, Karsten (author)
2013
128 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen
Theses
German
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