Berechnung elastohydrodynamischer Systeme mit überlagertem Wandkontakt

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde das am Institut für Statik und Dynamik der Luft und Raumfahrtkonstruktionen entwickelte Programm zur Berechnung von elastohydrodynamischem Kontakt (EHD-Berechnungen) um ein Kontaktmodell sowie ein Kavitationsmodell mit Berücksichtigung von Siedeverzug erweitert. Das neu entwickelte Kontaktmodell berücksichtigt die Rauigkeit der Wände und weist einen Übergangsbereich auf, in dem sowohl Fluid- als auch Festkörperkontakt als parallel zueinander wirkende Mechanismen aktiv sind. Die konsistente Tangente lässt sich zu jedem Zeitpunkt bilden. Die Vorgänge im Übergangsbereich vom hydrodynamischen Kontakt zum Festkörperkontakt werden in einzelne Abschnitte zergliedert. Hierdurch wird der Einfluss der Wandrauigkeit auf das Kontaktverhalten sowie auf die Konduktivität ersichtlich. In dem neu implementierten Kavitationsmodell wird zwischen entstehender und vergehender Kavitation unterschieden. Hierdurch lässt sich sowohl der gedrosselte Vorgang des Entstehens von Kavitationsbläschen als auch das quasi ungedrosselte Kollabieren derselben modellieren. Es wird eine Verstetigung gegenüber einfacheren Kavitationsmodellen erreicht, welche maßgeblich zu einer Stabilisierung der EHD-Berechnungen beiträgt. Durch die Implementierung einer adaptiven Zeitschrittweitensteuerung lässt sich eine feine zeitliche Auflösung des hochgradig nichtlinearen Verhaltens im Übergangsbereich zum Festkörperkontakt sowie bei Kavitation realisieren. Zugleich konnten hierdurch die Rechenzeiten erheblich gesenkt werden. Die Zeitschrittweitensteuerung wird sowohl durch das Kontakt- und das Kavitationsmodell als auch durch das Konvergenzverhalten beeinflusst. Die Modelle sowie ihre Implementierung werden dargestellt und ihr Verhalten wird an einfachen Beispielen, die keine Überlagerung der zumeist gemeinsam wirkenden Mechanismen aufweisen, aufgezeigt, so dass ihr Verhalten sichtbar wird.

A contact- as well as a cavitational-model enhance the elastohydrodynamic program developed by the Institute for Statics and Dynamics of aircraft constructions. The newly developed contact model takes surface-roughness into consideration, showing an intermediate phase characterized by simultaneous hydrodynamic and solid contact. The consistent tangent exists throughout the entire process. The effect of surface roughness on the contact and conductivity becomes clear by dividing the intermediate phase into distinct sections. The cavitational-model differentiates between arising and collapsing cavitation. The process of retarded vaporization and the quasi uninhibited collapse of voids can thus be simulated. This leads to a steadier behaviour of the calculation, contributing to its numerical stability. The implementation of an adaptive time-step-control permits fine resolution of the calculations when needed , for example during contact and cavitation, both extremely nonlinear processes. Contact, cavitation and convergence influence the time step, thus saving calculation time in stable phases. This work presents simple examples in order to demonstrate the effects of the individual models separately. In most applications, contact and cavitation occur simultaneously with overlapping results, making their distinction difficult to impossible.