Dynamische uitdagingen in kabelplaten van de volgende generatie

In hightech systemen worden componenten door toenemende prestatie-eisen blootgesteld aan steeds grotere krachten en versnellingen, waardoor uitdagingen ontstaan rond precisie en slijtage. Een van deze componenten, kabelplaten - essentieel voor het overbrengen van stroom, lucht, water en koelvloeistoffen tussen bewegende delen - ondervinden enorme dynamische effecten die de precisie, duurzaamheid en operationele efficiëntie kunnen beïnvloeden. Demcon Multiphysics is hiermee aan de slag gegaan en heeft een geavanceerd modelleerraamwerk ontwikkeld dat het gedrag van kabelplaten verbetert.

Aan het front van deze ontwikkeling staat Koen Franse, een Multiphysics Engineer bij Demcon's Eindhovense vestiging, gespecialiseerd in constructiemechanica en dynamica-analyse. In een toelichting voor de DSPE-gemeenschap ging hij onlangs dieper in op de rigoureuze test- en modelleerinspanningen om dynamische problemen in kabelplaten te beperken. “De dynamica van kabelplaten is behoorlijk complex, vooral vanwege de niet-lineariteit in het systeem,” legde Franse uit. Met een testopstelling waarmee versnellingen tot 600 m/s² kunnen worden bereikt, heeft Demcon inmiddels forse vooruitgang geboekt bij het verbeteren van het ontwerp van kabelplaten, zodat hightech systemen optimaal kunnen functioneren.

De rol van kabelplaten in hoogtechnologische systemen

Kabelplaten zijn van vitaal belang in geavanceerde systemen, omdat ze de toevoer van essentiële elementen mogelijk maken en tegelijk een hoge precisie en betrouwbaarheid garanderen. Naarmate deze systemen zich ontwikkelen, worden ze echter blootgesteld aan steeds hogere versnellingen, wat ongewenste dynamische effecten kan veroorzaken. Deze effecten manifesteren zich op verschillende manieren:

• Storende krachten: Overmatige beweging kan ongewenste krachten overbrengen op aangesloten componenten, wat de precisie beïnvloedt.
• Slijtage en schade: Wrijving tussen kabelplaatlagen kan op lange termijn degradatie veroorzaken.
• Deeltjesvorming: In cleanroomomgevingen vormt materiaalslijtage door wrijving een contaminatierisico.

Inzicht in deze effecten is cruciaal voor het optimaliseren van het ontwerp van kabelplaten en Demcon loopt voorop bij het aanpakken van deze problemen door middel van experimentele tests en computermodellen. “Het hele idee achter het werk dat we bij Demcon doen met kabelplaten is om zoveel mogelijk inzicht te krijgen in hun dynamisch gedrag, dat we kunnen gebruiken om betere ontwerpbeslissingen te nemen”, aldus Franse.

Geweldenaar © Demcon

Kabelplaten testen: De Geweldenaar-opstelling

Demcon vertrouwt al jaren op fysieke testen om het gedrag van kabelplaten te analyseren. Hun eigen testfaciliteit, bekend als de Geweldenaar, kan extreme versnellingen simuleren en zo realistische gegevens leveren over de prestaties van kabelplaten. Ingenieurs kunnen hogesnelheidscamera's, versnellingsmeters en meetcellen gebruiken om de details vast te leggen van hoe kabelplaten reageren op hoge versnellingen.

Een belangrijk probleem dat Demcon tegenkwam was het 'slapping'-gedrag, waarbij de kabelplaat die voor de klant werd getest bij bepaalde frequenties begon te resoneren en met grote botsingskrachten tegen de zijkanten botste. Dit effect, dat aanvankelijk werd waargenomen bij 60 m/s², werd duidelijker naarmate de setpointversnellingen opliepen tot 100 m/s². “We zagen dat de kabelplaat tegen de zijwanden begon te slaan en veel geluid en storende krachten genereerde”, legde Franse uit. Dergelijk gedrag kan overmatig lawaai veroorzaken, de slijtage verhogen en de stabiliteit van het systeem in gevaar brengen.

Hoewel het testen waardevolle inzichten oplevert, heeft het ook beperkingen. Hardwarebeperkingen en lange insteltijden maken het moeilijk om snel meerdere ontwerpvariaties te testen. Demcon zocht dus naar een efficiëntere oplossing door middel van computermodellen.

Een rekenmodel ontwikkelen: efficiëntie en nauwkeurigheid

Simulatie is een krachtig alternatief voor fysiek testen, dat snelle iteratie en een dieper inzicht in dynamisch gedrag mogelijk maakt. Het modelleren van kabelplaten is echter nogal een uitdaging:

• Complexe materiaaleigenschappen: Kabelplaatcomponenten zoals TPU/PTFE-slangen vertonen frequentie-afhankelijk gedrag en koperdraad in stroomkabels is complex te modelleren vanwege de gelaagde configuratie.
• Contactinteracties: Er is een dynamische interactie tussen meerdere componenten, waardoor de berekening complexer wordt.
• Grote vervormingen: Significante buigingen en bewegingen vereisen niet-lineaire solvers en kleine tijdstappen voor een correcte simulatie.

Om deze uitdagingen te overwinnen, werkte Demcon samen met een klant aan de ontwikkeling van een gereduceerd eindige-elementenmodel (FEM) dat de nauwkeurigheid behoudt en tegelijkertijd de rekenefficiëntie aanzienlijk verbetert. Een conventionele FEM voor kabelplaten kan tot een miljoen vrijheidsgraden bevatten, waardoor simulaties traag en resource-intensief zijn. Door de geometrie te vereenvoudigen en het aantal elementen te verminderen, bracht het model van Demcon dit terug tot 'slechts' 300 vrijheidsgraden, waardoor de analyse veel sneller kon worden uitgevoerd. “Het doel was om het model zo veel mogelijk te vereenvoudigen om de rekentijd en rekenkracht te verminderen en toch de dynamica correct vast te leggen”, benadrukt Franse.

Cable slab (kabelplaat), © Demcon

Validatie: een brug tussen simulatie en werkelijkheid

Om er zeker van te zijn dat hun vereenvoudigde model het gedrag in de echte wereld nauwkeurig weergaf, voerde Demcon een uitgebreide validatie uit aan de hand van fysieke testgegevens.

1. Testen van een plaat met één laag: Met behulp van versnellingsmeters vergeleken technici gemeten versnellingen met gesimuleerde resultaten. Het model bootste met succes de waargenomen klapfrequenties na.
2. Opschaling naar platen met meerdere lagen: Het model bleef goed presteren met extra complexiteit en voorspelde nauwkeurig de dynamische respons bij configuraties met zes lagen.
3. Vergelijken van versnellingsprofielen: Vergelijkingen tussen test- en simulatiegegevens bevestigden dat het model de belangrijkste dynamische effecten kon vastleggen en bewezen de betrouwbaarheid. “We hebben bewezen dat je geen zeer complex eindige-elementenmodel nodig hebt om de dynamica van een dergelijk systeem te simuleren”, aldus Franse.

Door hun modelbenadering te verfijnen, toonde Demcon aan dat een vereenvoudigd raamwerk het gedrag van kabelplaten effectief kan voorspellen, wat een krachtig hulpmiddel is voor toekomstige ontwerpoptimalisaties.

Op weg naar betere kabelplaatontwerpen

Met een gevalideerd model in de hand kan Demcon nu efficiënter geoptimaliseerde kabelplaatontwerpen onderzoeken. Door de materiaaleigenschappen, geometrie en voorspankrachten aan te passen, kunnen ingenieurs het gedrag van kabelplaten optimaliseren en de betrouwbaarheid van het systeem verbeteren zonder uitgebreide hardwaretests uit te hoeven voeren.

Bovendien biedt deze aanpak nog een paar andere voordelen.

• Snellere ontwerpiteraties: Ingenieurs kunnen meerdere configuraties digitaal testen voordat ze fysieke prototypes maken.
• Kostenbesparing: Minder afhankelijkheid van dure testopstellingen en hardware.
• Betere systeemintegratie: Inzichten uit simulaties kunnen worden gebruikt voor bredere systeemontwerpkeuzes, waardoor de algehele prestaties verbeteren. “Met deze methode kunnen we snel iteraties in het ontwerp uitvoeren zonder dat er dure en tijdrovende hardwareopstellingen nodig zijn”, aldus Franse.

De kracht van combineren

Demcon's succes in het modelleren van kabelplaten onderstreept de kracht van het combineren van experimentele en computationele benaderingen. Hoewel traditionele tests onmisbaar blijven, maken efficiënte modelleerframeworks snelle innovatie mogelijk, zodat hightech systemen de grenzen van de prestaties blijven verleggen.

Aangezien industrieën steeds meer precisie en betrouwbaarheid eisen, zal het vermogen om nauwkeurig het gedrag van componenten te voorspellen en te optimaliseren steeds belangrijker worden. Het werk van Demcon betekent een belangrijke stap vooruit in hightech engineering en laat zien dat zelfs de meest complexe dynamische uitdagingen kunnen worden aangepakt met de juiste combinatie van testen en simulatie. “Dus als je nu tegen uitdagingen bij het ontwerpen van kabelplaten aanloopt, dan hebben we een goede basis om je te helpen bij het oplossen van deze problemen.”