Beschreibung

Stoßvorgänge treten in vielen mechanischen Systemen auf und stellen sowohl eine theoretisch anspruchsvolle als auch eine für die Praxis wichtige Fragestellung dar. In der Maschinendynamik ist die Methode der Mehrkörpersysteme oft am effizientesten zur Untersuchung des globalen Bewegungsverhaltens. Die Bewegung des Mehrkörpersystems erfolgt dabei auf einer langsamen Zeitskala die durch niedrige Frequenzen gekennzeichnet ist. Die kontinuierliche Bewegung des Mehrkörpersystems kann durch Kollisionen unterbrochen werden und zu Stößen führen. Während des Stoßes verliert das System einen Teil seiner ursprünglichen kinetischen Energie. Dieser Energieverlust kann einerseits durch plastische oder viskoelastische Verformungen an der Kontaktselle verursacht werden, anderseits durch die Erzeugung von Wellen in den stoßenden Körpern. Die Welleneffekte sind durch hohe Frequenzen gekennzeichnet und sind vor allem beim Stoß schlanker Körper (z.B. Stäbe, Balken, Platten, Scheiben) von sehr großer Bedeutung. Während Energie durch plastische Deformation sofort verloren geht, ist die Wellenenergie nach dem Stoß noch vorhanden, bis die Wellen schließlich aufgrund von Materialdämpfung verschwinden. Makromechanisch werden die verschiedenen Mechanismen des kinetischen Energieverlustes zusammengefasst und durch die Stoßzahl beschrieben. Die Stoßzahl wird in der Mehrkörpersimulation zur Berechnung der Geschwindigkeiten nach dem Stoß. Die Stoßzahl kann jedoch nicht innerhalb des Mehrkörperansatzes berechnet werden, sondern muss durch Messungen oder Erfahrungen bestimmt werden. Bei einer Mehrskalen-Simulation wird die Mehrkörsimulation bei Stoßerkennung unterbrochen und die Stoßzahl wird mit Hilfe zusätzlicher detaillierter Simulationen auf einer schnellen Zeitskala bestimmt. Die Stoßzahl wird dann an die Mehrkörsimulation zurückgegeben und die weitere Berechnung des globalen Bewegungsverhaltens erfolgt wieder auf der langsamen Zeitskala.

Eine detaillierte Untersuchung der mikromechanischen Vorgänge während des Stoßes erfolgt auf einer schnellen Zeitskala unter Einschluss elastodynamischer und plastischer Effekte. Die schnelle Zeitskala ist durch die vom Stoß angeregten hohen Frequenzen gekennzeichnet und die Simulationen beschränken sich auf das kurze Zeitintervall des Stoßes der oft deutlich kürzer als 1ms ist. Analytische Stoßuntersuchungen sind dabei auf geometrisch einfache Körper beschränkt. Zur detaillierten Untersuchung des Stoßes zwischen geometrisch komplexeren Körpern mit nichtlinearem Materialverhalten müssen numerische Methoden wie die nichtlineare Finite-Elemente-Methode (FE) verwendet werden. Diese sind jedoch meist sehr rechenzeitintensiv. Einen deutliche Effizienzsteigerung ist möglich, indem nur die lokale Kontaktstelle mit ihren Nichtlinearitäten durch ein FE-Modell beschrieben wird, während die elastodynamischen Effekte der Stoßkörper mit einem modal reduzierten Modell dargestellt werden.

Die Genauigkeit der verwendeten Modelle wird anhand von Experimenten auf beiden Zeitskalen untersucht. Dazu werden zur Lage- und Geschwindigkeitsmessung 1D- und 3D-Laser-Doppler-Vibrometer eingesetzt. Zur Dehnungsmessung kommen spezielle hochfrequenzfähige Dehnmessstreifen zum Einsatz.

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Ansprechpartner

• Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Peter Eberhard