Struktur-Analyse des Long Focus - Spectro Telescopes (LF-ST)

  • Strukturanalyse des LF-ST des H-Alpha Instruments für ITER
  • Analysen beinhalteten u.a. Erdbebenlasten und EM Lasten
  • Multidisziplinäre Analyse zur Herleitung der Wirbelströme und resultierender Magnetkräfte
  • Auswertung entsprechend der RCC-MR / SDC-IC Standards (Spannungs-Kategorisierung, Spannungs-Linearisierung)

 

 IPP_Logo2_100.png

Implementierung und FEM-Analyse von Festkörpergelenken in die Siliziumfolie des ITER Bolometer Sensor

  • die Bolometer Sensoren basieren auf Platin-Absorbern, welche auf eine dünne (3µm) Siliziummembran appliziert sind und deren gemessene Temperatur eine Aussage über die Plasmatemperatur liefert
  • aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium und Platin und dem Temperaturanstieg um mehrere 100K entstehen hohe Spannungen in der Siliziumfolie
  • wie in Versuchen und im FEM Modell beobachtet, ist vor allem die Einspannung der Folie, d.h. der Steifigkeitsübergang zum 600µm dickeren Substrat kritisch
  • ein Abbau dieser Spannungen konnte durch Silizium-Festkörpergelenke erreicht werden
  • die Auslegung dieser Gelenke und der Nachweis deren Wirksamkeit wurde in vorrausgehenden FEM-Analysen erbracht

 FlexureHinge_FEM

FlexureHinge_FEM

 IPP_Logo2_100.png

Ermittlung des Temperaturniveaus und der Temperaturverteilung an der ITER Bolometer Kamera

  • über Neutronenheizung und Strahlung wird v.a. in den Kollimator der Bolometerkamera Wärme eingebracht
  • der Abfluss dieser Wärme in das Vakuumgefäß hat entscheidenden Einfluss auf die Temperatur und damit Lebensdauer des Sensor
  • vorrausgehende Analysen zeigten die hohe Sensitivität der Sensortemperatur bezüglich des Kontakt-Wärmeübergangs
  • zur Verifikation des FEM Modelles mit den vorab experimentell ermittelten Kontakt-Wärmeübergangskoeffizienten (s.u.) wurde die komplette Bolometer-Baugruppe (mehreren Wärmeübergänge) experimentell untersucht
  • ein Vergleich der gemessenen und berechneten Temperaturen zeigte die Güte und Genauigkeit des FEM Modelles
  • das verifizierte Modell kann nun auch zur Analyse weiterer thermaler Lastfälle mit einem hohen Vertrauensgrad verwendet werden

 TB CAD

FEM TB Prediction

ITER Bolometer TB test

 iter_logo.png

National_Fusion_Research_Institute_Korea.png

ITER_KODA.png

Zweiachsiger Belastungstest der ITER Vakuumgefäßstütze

  • die ITER Vakuumgefäßstütze wird mit Kräften in zwei und Momenten in drei Achsen belastet
  • diese extremen Belastungen im MN bzw. MNm Bereich entstehen aus vertikalen Disruptionen
  • der experimentelle Nachweis erfolgte an dem von uns im Maßstab 1:3 gefertigten Mock Up
  • in einem ersten Schritt wurden zweiachsige Testlastfälle so definiert, dass die Momente mittels offset des Lastangriffspunktes aufgebracht werden können
  • die dazu erforderliche Prüfvorrichtung mit Lasten von 5,6MN (560to) in einer und 2,0MN (200to) in der zweiten Achse wurde ausgelegt, konstruiert und gefertigt
  • spezielle Beachtung fand die korrekte Umsetzung der Randbedingungen, d.h. Entkopplung beider Lastachsen und momentenfreie Lastaufbringung
  • als Messtechnik kamen ~ 100 Dehnmessstreifen und ~10 Wegaufnehmer zum Einsatz
  • eine Vermessung der relevanten Bauteilbereiche mittels Koordinatenmessmaschine diente zur quantitativen Beurteilung der bleibenden Verformungen
  • die gemessenen Dehnungen dienen der Verifikation des FEM Modelles und zur Ermittlung der erforderlichen Fertigungstoleranzen der ITER Vakuumgefäßstütze

 ITER VV support loading situation

ITER VV support test overview

ITER VV support test overview

 IPP_Logo2_100.png

Experimentelle Untersuchung des Wärmeübergangs zwischen geklemmten und verschraubten Bauteilen

  • der Kontakt-Wärmeübergangskoeffizient sagt aus, wie viel Wärme über einen mechanischen Kontakt übertragen werden kann
  • ein geringer Kontakt-Wärmeübergangskoeffizient führt zu einer hohen Bauteiltemperatur vor der Kontaktstelle
  • er ist abhängig von Anpressdruck, Oberflächengüte, Materialien, Umgebungsbedingung (Vakuum) und ggf. vorhandenen Wärmeleitfolien
  • die große Variation von 500W/K bis 20.000W/K führt zu hohen Unsicherheiten in Thermalanalysen und den damit ermittelten Bauteiltemperaturen
  • Ziel der Experimente war die spezifische Bestimmung des Kontakt-Wärmeübergangskoeffizienten für die thermalen Verbindungen der ITER Bolometerkamera
  • in einer ersten Versuchsreihe wurde eine idealisierte Probengeometrie mit möglichst homogener Flächenpressung gewählt
  • hierbei wurde neben dem Anpressdruck auch die Materialien variiert und spezielle Beilagen (z.B. Graphitfolien) untersucht
  • in einer zweiten Versuchsreihe wurde eine typische Verschraubungssituation nachgebildet (Flanschverschraubung)
  • hierbei stellt sich durch die lokal wirkende Schraubenvorspannung eine inhomogene Flächenpressung mit der damit verbundenen Variation der Wärmeübertragung ein
  • neben Schraubenvorspannung und Schraubenanzahl wurde auch hier der Effekt einer beigelegten Graphitfolie untersucht
  • der Kontakt-Wärmeübergangskoeffizienten wird aus dem gemessenen Wärmestrom und dem Temperatursprung an der Kontaktstelle berechnet
  • hierzu wird eine Reihe von Temperaturfühlern im Prüfling angebracht
  • der Wärmestrom wird mittels elektrischer Heizung des einen Körpers und fluidischer (LN2) Kühlung des anderen Körpers erzeugt
  • die Testergebnisse fließen in die FEM Modelle ein und reduzieren deren Unsicherheit in einem hohen Maße

 thermal contact conductivity diagram

thermal contact conductivity srewed connection

thermal contact conductivity test setup

 

 iter_logo.png

National_Fusion_Research_Institute_Korea.png

ITER_KODA.png

Fertigung des Mock Up der ITER Vakuumgefäßstütze und Durchführung eines vertikalen Belastungstests

  •  Design eines 1/3 skalierten Mock Up der ITER Vakuumgefäßstütze (Gewicht ~600kg)
  • Fertigungsbetreuung
  • Ermittlung der DMS Messstellen mittels FEM Analyse
  • Entwicklung und Optimierung der Montageprozedur
  • Applikation der DMS (15 Rosetten und 28 Einzel-DMS)
  • Entwicklung, Design und Fertigung einer Testvorrichtung
  • Durchführung eines vertikalen Belastungstests
    • maximale Druckkraft: 1,7MN (=170to)
    • Funktionstest der MoS2-Beschichtung einer Achse
      • Anbau eines 17kNm hydraulischen Drehantriebs
      • Drehen des unteren Lagerbolzens um +/- 1° und Messung des Reibwertes unter Last
      • Lebensdauertest: 300 Zyklen
    • Untersuchung der Lastpfade bei verschiedenen Lasteinleitungspositionen
  • Demontage des Mock Up
  • Identifikation von Schäden an der Beschichtung
  • Ableiten von Verbesserungsvorschlägen zu Design und Montage

 

 ITER_VVsupport_Mock_up_CAD

ITER_VVsupport_Mock_up

C0_Test_ITER_VVsupport

IPP_Logo2_100.png

Bestimmung des Emissionskoeffizienten von TZM bei unterschiedlichen Bearbeitungsverfahren

  • Experimentelle Bestimmung und Optimierung des Emissionskoeffizienten von TZM (Titan-Zirkon-Molybdän Legierung) bei unterschiedlichen Bearbeitungsverfahren
    • gefräst und gedreht
    • wasserstrahlgeschnitten
    • sandgestrahlt (Variation des Strahlguts)
    • Glasperlen gestrahlt
    • elektropoliert
IPP_Emissivity_Measurement_TZM.jpg
IPP_Logo2_100.png

Dynamische Untersuchung des ITER Bolometer Detektors

  • dynamische Belastung der keramischen Komponenten des Detektorhalters und der Detektorfolie
    • Ermittlung der erwarteten dynamischen Lasten während Disruptionen bei ITER
    • Aufbringen dieser Lasten mit einem elektrodynamischen shaker
    • monitoring der Detektorfolien während des Belastungstests
  • Ermittlung der Eigenfrequenzen der Detektorfolie
    • Berührungsfreie Schwingungsmessung an der 5µm dicken Detektorfolie
    • Verwendung eines zweistrahligen Laserinterferometers (SIOS) mit einer Abtastfrequenz von 10kHz

IPP_Bolometer_Detektor_on_Shaker.jpg

IPP_Bolometer_Laser_Vibration.jpg

iter_logo.png

National_Fusion_Research_Institute_Korea.png

ITER_KODA.png

Lebensdauertests an Beschichtungen für die Pendelstützen des ITER Vakuumgefäßes

  • Untersuchung von Beschichtungen und Materialien zur Anwendung an den Pendelstützen des ITER Vakuumgefäßes (Gewicht: 10.000.000 kg)
  • Ausarbeitung des Testplans und Modifikation der vorhandenen Reibtestvorrichtung
  • Randbedingungen des Testaufbaus:
    • Temperatur: RT bis 200°C (elektrische und fluidische Heizung)
    • Vakuum: 1e-6mbar
    • Druckkraft: bis 900kN
    • Reibkraft: bis 200kN
    • Sensorik: mechanisch, thermisch und akustisch
  • Durchführung von Qualifikationstests im Auftrag des Korean National Fusion Research Institute (NFRI) in Zusammenarbeit mit der Iter Organisation und der Korean Domestic Agency (KO DA)

ITER_VV_support_test_setup_design.jpg

ITER_VV_support_test_setup.jpg

ITER_VV_support_test_samples.jpg

IPP_Logo2_100.png

Thermomechanische FEM Analyse des ITER Bolometer Detektors

  • Ermittlung und Bewertung der thermischen Lasten
    • Wärmestrahlung aus dem Plasma und der benachbarten Divertormodule
    • Wärmeleitung aus dem Vakuumgefäß
    • Erwärmung durch nukleare Strahlung
  • Ermittlung und Implementierung temperaturabhängiger Materialeigenschaften
  • Berechnung der globalen Verformung
  • lokale Analyse der Sichtlinien des Kollimators und der Spannungen in der Detektorfolie
  • Untersuchung der Änderung der Schraubenvorspannung aufgrund unterschiedlicher Thermalausdehnungskoeffizienten der verschraubten Komponenten und der Schraube
  • Untersuchung unterschiedlicher Material-Alternativen für bestimmte Kamerabauteile für die Minimierung von thermischen Verformungen und Spannungen
  • detaillierte Bewertung der Wärmeflüsse bei Variation der Wärmeübertragungskoeffizienten und der Materialien
ITER_Bolometer_Components.jpgITER_Bolometer_thermal_analysis_FEM.jpg
IPP_Logo2_100.png

Elektromagnetische mechanische FEM Analyse des ITER Bolometer Detektors

  • Aufbau eines FEM-Simulationsmodelles zur Ermittlung der mechanischen Belastung der Bolometerstruktur durch die elektromagnetischen Lasten während einer Disruption
  • Entwicklung einer Simulationsroutine für elektromagnetische Lastfälle an Kernfusionsexperimenten
  • Extraktion, Darstellung und Implementierung des zeitvarianten magnetischen Feldes (B-Feld) aus Ergebnissen einer DINA Simulation
  • Berechnung der Wirbelströme aufgrund der Änderung des magnetischen Feldes
  • Berechnung der magnetischen Kräfte aufgrund der Wirbelströme und des statischen Magnetfeldes
  • Berechnung der resultierenden Verformung, Spannung und der Schraubenkräfte
  • Untersuchungen zur Minimierung der elektromagnetischen Lasten durch elektrische Isolationsschichten (Verkleinerung der Wirbelströme) und nichtmagnetische / nichtleitende Materialien
ITER Bolometer DINA B export.gifITER Bolometer electromagnetic analysis.jpg

KT.jpgJET.jpg

Forschungszentrum Juelich.jpg

Vibrationstest für ein Endoskop für das Kernfusionsexperiment Joint European Torus (JET)

  • Eigenfrequenz- und Sinusbelastungstest in allen Achsen
  • Nachweis der optischen Performance und der Spiegeljustage vor und nach dem Test
  • Konstruktion und Fertigung des Vibrationsadapters
JET Endoscope Vibration Test Optical Head.jpgJET Endoscope Vibration Test Overview.jpg

KT.jpgJET.jpg

Forschungszentrum Juelich.jpg
 

Thermal-Vakuum Test für ein Endoskop für das Kernfusionsexperiment Joint European Torus (JET)

  • Entwicklung, Fertigung und Inbetriebnahme einer Thermal-Vakuumkammer mit Thermalaktuator und optischer Durchführung
  • Durchführung von Thermal-Vakuum Zyklen bis zu 320°C
  • Verifikation der optischen Performance bei verschiedenen Temperaturen
  • Massenspektroskopie

JET Endoscope Thermal Vacuum Test Heater.jpg

JET Endoscope Thermal Vacuum Test Chamber.jpg

IPP_Logo2_100.png

Entwicklung einer Messvorrichtung für Divertormodule

  • Höhenmessvorrichtung zur Überprüfung der Montagetoleranz von Divertormodulen für das Kernfusionsexperiment W7-X
  • Vermessung von 10 verschiedenen Modultypen auf einer speziell angefertigten Messplatte mit realitätsnaher struktureller Anbindung
Divertortarget dimensional Measurement Equipment.jpg

KT.jpg

·

·

JET.jpgForschungszentrum Juelich.jpg

FEM Analysen für ein Endoskop für das Kernfusionsexperiment Joint European Torus (JET)

  • Berechnung der magnetischen Kräfte aus der transienten Magnetfeldänderung bei einer Disruption des Plasmas
  • Festigkeitsanalysen des Endoskop-Aufbaus
  • Berechnung der Temperaturverteilung durch die Wärmestrahlung des Plasmas
  • Berechnung der Thermalverformung der optischen Komponenten als Basis für nachfolgende optische Analysen
KT-Endoskop.png

IPP_Logo2_100.png

Entwicklung eines Heiz/Kühl-Systems mit fahrbarem Probenhalter für den Thermal-Vakuum-Prüfstand zur Bolometer Vermessung

  • Entwicklung, Konstruktion und Fertigung eines Heiz/Kühlsystems für die Thermal-Vakuum-Kammer des Bolometer Prüfstands
    • thermische Auslegung
    • Integration
    • Inbetriebnahme
  • Entwicklung, Konstruktion und Fertigung eines fahrbaren Probenhalters für die Bolometer Sensoren (Detektor)
    • Entwicklung der Aktorik (Linearantrieb) zum Verfahren des Probenhalters unter dem Prüflaser

IPP_Bolometerofen_CAD.jpg

IPP_Bolometerofen_Fertigung.jpg

 

IPP_Logo2_100.png

Entwicklung eines LabView-Interface für den Thermal-Vakuum-Prüfstand zur Bolometer Vermessung

  • Entwicklung eines integrierten LabView-Interfaces mit zugehöriger Bedienoberfläche:
    • Thermalregelung
    • Ansteuerung des Linearantriebs des Probenhalters
    • Ansteuerung des Lasers
    • Datenerfassung
IPP_Labview.png

IPP_Logo2_100.png

Lebensdauertest der NSE-Verbindungselemente für das Wendelstein W7-X Fusionsexperiment

  • Entwicklungstest zur Lebensdauerermittlung der Reiboberflächen der NSE-Verbindungselemente (Narrow-Support-Elements) des W7-X Fusionsexperiments (W7-X Seiten des IPP)
  • Zwei-achsige Lastaufbringung
  • Bis zu 1.5MN Normalkraft
  • Versuch unter Kryo-Vakuum-Bedingungen(77K, 1E-6 mbar)
  • Entwicklung und Konstruktion der Testvorrichtung
  • Fertigung und Aufbau des Teststands in 2MN Zugprüfmaschine
  • Durchführung der Versuche
    • Evaluierungen verschiedener Materialien (Gleitpaarungen)
    • Erprobung verschiedener Geometrievarianten
    • Test für potentiell mögliche extreme Winkellagen der Reibpartner sowie und für Fehlstellen in der Reiboberfläche
    • Lebensdauertest bis zu jeweils 4000 Zyklen

Schnitt Vakuum und Kryostat_Proj.png

NSEges_300.png

IPP_Logo2_100.png
 
 

·

·

Test von hochbelasteten Bolzenverbindungen des W7-X-Fusionsexperiments

  • 2-achsiger Belastungstests einer hochbelasteten Bolzenverbindung des W7-X-Fusionsexperiments
  • Lasten bis zu jeweils 1MN
  • Test unter Kryo-Bedingungen (77K)
  • Lebensdauertest (zyklische Belastung bis zu 4000 Zyklen) und Ermittlung der Versagenslast
  • Entwicklung und Konstruktion der Testvorrichtung
  • Fertigung und Aufbau des hydraulischen Prüfstands
  • Projektierung und Installation der notwendigen umfangreichen Sensorik (DMS, Verformungsmessungen, akustische Sensoren)
  • Durchführung des Versuche
  • Analyse und Auswertung der Messergebnisse

BC CAD Gesamtaufbau_Proj.png

BC_1_300.png

IPP_Logo2_100.png

Festigkeitsanalyse der Schweißnähte in Kalorimeterplatten des ASDEX Upgrade Fusionsexperiments

  • Berechnung der Spannungen in Schweißnähten der Kühlkanäle der Kalorimeterplatten des Fusionsexperimentes ASDEX Upgrade (Leistungsmessung der Neutralteilchenheizung)
  • Vorhersage des Festigkeitsversagens der Schweißnähte durch thermo-mechanische Belastungen im Betrieb
  • Nicht-lineare Berechnung unter Berücksichtigung temperatur-abhängigen, plastischen Materialverhaltens
  • stationäre und transiente Berechnung
 
 
 

Kalo-Platte2.png

Kalo-Platte1.png

IPP_Logo2_100.png

Strukturdynamische Analyse einer nicht-planaren Spule (NPC) des W7-X Fusionsexperiments unter Impact-Belastungen

  • Simulationsbasierte Voruntersuchung des Antwortverhaltens einer NPC Spule unter Impactbelastung für die Auslegung des Magnetic Quench-Test in Saclay
  • Berechnung der Strukturantwort einer nicht planaren Spule (NPC, non-planar coils) auf Referenz Impact-Lasten
    • effiziente Simulation mit Modal-Darstellung basiertem Zustandsraum-Modell
  • Simulation des Impacts auf die Spule mit der projektierten Impact-Vorrichtung
    • Simulation des Impactvorgangs mit 3D Modell der Testvorrichtung mit expliziter FEM Analyse (LS-Dyna)
    • zeiteffiziente Simulation mit vereinfachtem semi-analytischen Modell in Matlab/Simulink)
MQ-Test_1.png

IPP_Logo2_100.png

Entwicklung eines Beschichtungsapparats für die NSE-Reibflächen des Wendelstein W7-X Fusionsexperiments

  • Entwicklung eines Beschichtungsapparates für das automatisierte Auftragen von Schmierstoffen auf die Reibflächen der NSE-Verbindungselemente
  • Funktionen:
    • orbitales Polieren von pulverförmigen Schmierstoffen (z.B. MoS2) auf die Gleitflächen
    • Homogenisieren von aufgesprühten Gleitschichten (z.B. ROCOL-MoS2-Spray)
    • Polieren unter einer einstellbaren Anpresskraft
    • Herstellen einer definierten Feuchtigkeit während des Beschichtungsprozesses
  • Konstruktion, Fertigung und Inbetriebnahme des Apparats

Burnisher1.pngBurnisher3.png

·

·

·

·

·

·

·

Burnisher2.png

IPP_Logo2_100.png

Entwicklung eines Verformungsmess-Moduls für die Divertortarget Elemente für das W7-X Fusionsexperiments

  • Entwicklung eines Systems für die Verformungsmessung der Divertortarget-Elemente zur Überwachung der der Schweißnähte im Betrieb
  • Einsatz im GLADIS-Projekt unter extremen Umgebungsbedingungen (Vakuum, sehr hohe / tiefe Temperaturen)
  • Entwicklung, Fertigung und Kalibration des Systems

DivertorTarget1.png

DivertorTarget2.png

IPP_Logo2_100.png

Elektronenstrahl geschweißter Divertorelemente für W7-X

  • Entwicklung und Umsetzung eines Verfahrens zur mechanischen Überprüfung von elektronenstrahl-geschweißten Divertorelementen
  • Mechanische Messung des Spaltes zwischen den Kühlkanälen des geschlossenen Bauteils
  • Konstruktion eines Testelementes für hydrothermische Untersuchungen der Spaltöffnung

DITA__1.jpg
DITA_2.jpg

IPP_Logo2_100.png
RFX_Logo.gif

Lebensdauertest und Bestimmung der mechanischen und thermischen Eigenschaften eines galvanisch abgeschiedenen Kupfers für Beschleunigergitter (SPIDER)

  • Lebensdauertests bei RT und 300°C in einer servohydraulischen Prüfmaschine mit Strahlungsofen und Hochtemperatur - Dehnungsmessstreifen
  • Zugversuche von RT bis 360°C
  • Bestimmung der Härte und Korngröße
  • Messung der Wärmeausdehnung, -kapazität und -leitfähigkeit

RFX_1.jpg
RFX_2.jpg