Simulation und Abgleich von Schraubenfedern
In engem Zusammenhang zu der Grundlagenforschung am Lehrstuhl für Angewandte Mechanik steht die Simulation und der Abgleich von Federn. Mehrkörpermodelle bestehen im klassischen Fall aus massebehafteten Starrkörpern und masselosen Verbindungselementen (uni- und bilaterale Bindungen). Federn werden dabei in der Regel mittels ihrer Federsteifigkeit und ihrer Dämpfung, also mit ihrem statischen Verhalten beschrieben. Dies reicht jedoch in vielen technischen Anwendungsfällen nicht aus, insbesondere wenn hochdynamische Systeme betrachtet werden, bei denen auch die Eigendynamik der beteiligten Federn berücksichtigt werden muss.
Moderne Federn zeichnen sich durch ein nichtlineares Verhalten aus, das meist durch eine variable Windungssteigung erreicht wird. Ziel des Forschungsvorhabens ist es die Dynamik (Eigenfrequenzen, Gesamtdynamik) von Schraubenfedern mit möglichst geringem numerischem Aufwand möglichst genau nachzubilden. Zudem werden die Simulationen mittels detaillierter Versuche validiert.
In der aktuellen Mehrkörpersimulation werden vornehmlich drei Modelle für massebehaftete Federn eingesetzt. Das modale Federmodell, das Mehrmassen-Federmodell und Federmodelle basierend auf kontinuierlichen Balkenelementen. Am Lehrstuhl für Angewandte Mechanik wird ein hocheffizientes Federmodell verwendet, das auf einem gekrümmten kontinuierlichen Balken basiert.
Die Interaktion der Windungen untereinander wird dabei mittels Methoden der nichtglatten Mechanik modelliert. Die wesentlichen Vorteile dabei sind, dass durch die nichtglatte Formulierung der Kontaktmechanik ein gegenseitiges Eindringen der Körper in einander verhindert wird, was bei glatten Formulierungen auftritt. Im Gegensatz zur glatten Kontaktmodellierung wird ein nichtglatter Kontakt als vollplastischer Stoß betrachtet und ist somit physikalisch motiviert.
Simulationen sind nur dann sinnvoll einsetzbar, wenn die Ergebnisse mit experimentellen Ergebnissen validiert werden. Zu diesem Zweck werden am Lehrstuhl für Angewandte Mechanik verschiedene Arten von Prüfständen eingesetzt. Neben einfachen Prüfständen für den statischen Abgleich der Federkennlinien oder für Ausschwingvorgänge, existiert ein ausgereifter Prüfstand für hochdynamische Untersuchungen von Federn. Dabei kann die Feder einerseits mit harmonischen Anregungen von bis zu 3000 Hz angeregt werden, woraus die Resonanzstellen der Feder identifiziert werden können, andererseits können nahezu beliebige andere Bewegungen (z.B. Nockenbewegungen) aufgeprägt werden, um das dynamische Betriebsverhalten der Feder abzubilden.
Die Effizienz und die Genauigkeit der verwendeten Modelle wurden bereits an verschiedenen Federn und Einsatzgebieten nachgewiesen. Um den Einsatz des Federmodells weiter zu verbessern und zu vereinfachen, wird der Einsatz von modernen Optimierungsverfahren zur Parameteridentifikation untersucht. Aufgrund des Trends in der Computer-Entwicklung zu CPUs mit immer mehr Kernen, können diese Optimierung zeiteffizient parallel durchgeführt werden.
