Publikation

Mehrkörperdynamik elasitscher Bauteile mit Fügestellen

Publikation, 2018

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F. Pichler - Mehrkörperdynamik elasitscher Bauteile mit Fügestellen - Phd Thesis, Technische Universität Graz, Österreich, 2018

Abstract

Komplexe mechanische Strukturen bestehen häufig aus mehreren Substrukturen, welche durch Schraubverbindungen, Pressverbindungen oder andere Verbindungen zusammengebaut sind. Die nichtlinearen Kontakt- und Reibkräfte welche an den Fügestellen solcher Verbindungen auftreten, können das globale und lokale dynamische Verhalten maßgeblich beeinflussen. In die Mehrkörperdynamik werden lineare flexible Körper häufig via Modellreduktion (z.B. component mode synthesis) eingebunden. Solche Reduktionsmethoden erlauben im Allgemeinen keine genaue Berechnung der lokalen Deformationen innerhalb der Fügestelle. Infolgedessen führen unrealistische Kontakt- und Reibkräfte zu fragwürdigen Ergebnissen hinsichtlich der Verformungen und Spannungen. In der vorliegenden Dissertation wird eine vollständige Strategie für eine effiziente und genaue Berücksichtigung der nichtlinearen Fügestellenkräfte innerhalb eines flexiblen Mehrkörpersystems präsentiert. Dazu werden die Bewegungsgleichungen um den Vektor der generalisierten Fügestellenkräfte erweitert. Eine numerisch günstige Formulierung dieser generalisierten Fügestellenkräfte und den dazugehörenden Termen in der Jakobimatrix wird vorgestellt. Um Fügestellendeformationen mit der notwendigen Genauigkeit abbilden zu können wird eine problemorientierte Erweiterung klassischer Reduktionsbasen (wie z.B. Craig/Bampton) mit sogenannten Kontaktmoden (joint modes) präsentiert. Drei unterschiedliche Berechnungsansätze für diese Kontaktmoden werden vorgestellt und numerisch untersucht. Alle drei Methoden basieren auf sogenannten modalen Ableitungen. Für alle Berechnungsmethoden wurde eine Ergebnisgenauigkeit vergleichbar zu Ergebnissen der Finiten Elemente Methode erzielt. Dabei ist die Anzahl an Kontaktmoden um bis zu 95% geringer als die Fügestelle Knotenfreiheitsgrade hat. Für die praktische Anwendung werden schließlich jene Kontaktmoden vorgeschlagen die basierend auf einer gewichteten „proper orthogonal decomposition“ der modalen Ableitungen berechnet werden. Zusätzlich wird eine optimierte Berechnung dieser Kontaktmoden für vorgespannte Strukturen vorgestellt. Für eine realistische Abbildung von Trockenreibung innerhalb der Fügestelle werden unterschiedliche Kontakt- und Reibmodelle untersucht. Diese Modelle wurden hinsichtlich numerischer Effizienz und anderer Kriterien bewertet. Basierend auf numerischen Untersuchungen wird ein adaptiertes exponentielles Kontaktmodell und ein drei Parameter Coulomb Reibmodell empfohlen. Die vorgestellte Strategie erlaubt eine effiziente Mehrkörpersimulation von gefügten flexiblen Strukturen wobei die Ergebnisqualität hinsichtlich Verformungen und Spannungen mit der finiten Elemente Methode vergleichbar ist. Zwei exemplarische Anwendungen aus dem Gebiet der Fahrzeugtechnik (Zweimassenschwungrad und Lagerstuhl einer Verbrennungskraftmaschine) bestätigen die praktische Relev