Simulation und Berechnung tribologischer Kontakte

Das ITR entwickelt anwendungsspezifische Berechnungssoftware zur Simulation des Verhaltens verschiedenster tribologischer Kontakte und der mit ihnen verbundenen Komponenten. Die Schwerpunkte liegen auf Simulationsprogrammen für schnell laufende Radial- und Axialgleitlagerungen in Turboanwendungen sowie für konforme und kontraforme Wälzkontakte.

Simulation von Gleitlagerungen in Turboanwendungen

Einen Schwerpunkt bildet dabei die Modellierung der Schmierfilmeigenschaften in hoch belasteten, schnell laufenden Gleitlagern, die z.B. in Turbinen, Kompressoren oder Generatoren eingesetzt werden. Die Programme COMBROS und COMBROS A ermöglichen die isotherme und die nichtisotherme Berechnung der statischen und dynamischen Lagerkennwerte von hydrodynamisch geschmierten Gleitlagern.

  • genaue Erfassung der Lagergeometrie (Profilierung, Ölzuführungstaschen und -nuten, seitliche Dichtstege einschließlich Schmutznuten, hydrodynamisch wirksame Taschen)
  • Berücksichtigung von Abweichungen in der Schmierspaltgeometrie durch eine 2D Schmierspaltfunktion
  • simultane (iterative) Berechnung der Druck-, Temperatur-, Viskositäts- und Dichteverteilung im Schmierspalt sowie der Temperaturverteilung in den Lagerbauteilen unter näherungsweiser Berücksichtigung der wichtigsten Umgebungsbedingungen
  • Erfassung der Schmierspaltströmung in divergierenden Spaltbereichen mit Hilfe eines vereinfachten Kavitationsmodells (JFO-Modell)
  • 2D-Berechnung der Druckverteilung im gesamten Schmierspalt, Lösung der erweiterten Reynoldsgleichung
  • 3D-Berechnung der Temperatur- und Viskositätsverteilung im Schmierspalt, Lösung der Energiegleichung
  • Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der Ölviskosität
  • 3D/2D-Berechnung der Temperaturverteilung in den Lagerbauteilen, Lösung der Wärmeleitungsgleichungen
  • Berücksichtigung des Wärmeübergangs zwischen Schmierfilm und Welle/Lagerschale sowie zwischen Welle/Lagerschale und Umgebung
  • die Schmierfilmturbulenz (Änderung der effektiven Viskosität und Wärmeleitung des Öls) durch lokale Beschreibung der Strömungsform und des Übergangs von der laminaren zur turbulenten Strömung
  • näherungsweise effektive Lagerspieländerung infolge thermischer und elastischer Verformungen
  • exakte Erfassung der Spaltgeometrieänderung infolge thermischer und elastischer Verformungen durch Kopplung der Gleitlagerberechnung mit FEM-Berechnungsprogrammen

Weiterhin erlaubt das Programm COMBROS durch eine Vielzahl freier Parameter zur Einstellung der Berechnungsrandbedingungen eine nahezu exakte Anpassung der Simulation an das reale System entsprechend der Kenntnisse des bedienenden Ingenieurs.

Das Axialgleitlagerberechnungsprogramm COMBROS A weist einen nahezu äquivalenten Berechnungsumfang auf, wobei weitere axialgleitlagerspezifische Effekte wie Fliehkrafteinflüsse berücksichtigt werden können. Zusätzliche wird das Radialgleitlagerberechnungsprogramm ALP3T am ITR gepflegt und weiterentwickelt.
Die parallele Verifikation der Berechnungsprogramme im Experiment stellt einen zentralen Punkt in der Philosophie zur Bearbeitung von Forschungsvorhaben am ITR da. Durch den ständigen Kontakt und die enge Zusammenarbeit mit der Industrie müssen sich sämtliche Berechnungswerkzeuge fortlaufend in praxisnahen Anwendungen bewähren. Dabei werden Turbomaschinen aller Baugrößen von der Kraftwerksturbine bis zum Abgasturbolader im Kraftfahrzeug unter schwierigsten Betriebsbedingungen untersucht.

Berechnung von konformen und kontraformen Wälzkontakten

Auf dem Gebiet der Wälzkontaktsimulation verfügt das Institut über leistungsfähige Berechnungsmethoden zur simultanen Berechnung  der Druck- und Spalthöhenverteilung von konformen und kontraformen Wälzkontakten. Dabei ist die Berücksichtigung realer Oberflächengeometrien, Wälzkörperverkippung, Mischreibung und dreidimensionaler Temperaturverteilung im Kontaktgebiet möglich.
Zur  Implementierung von deterministisch ermittelten Mikrostrukturen infolge Oberflächenrauheiten in das bestehende Makromodell, können Flussfaktoren auf Basis von Lattice-Boltzmann-Beziehungen im Modell verwendet werden.
Dreidimensionale Spannungsverteilung in den Kontaktkörpern auf Basis der Druck- und Lastverteilung im Kontaktgebiet bieten die Möglichkeit einer Auswertung der Werkstoffbelastung. Die Bildung von lokalen Schadenssummen auf Grundlage der Spannungsverteilung eignen sich für eine Betriebsfestigkeitsanalyse und Lebensdauerabschätzung der Kontaktpartner.

Die Simulationen von hochbelasteten, stark kontraformen Wälzkontakten profitieren von umfangreichen institutsinternen rheologischen Kenndatenkatalogen zu thermophysikalischen Eigenschaften von Schmierstoffen unter Höchstdruckbedingungen.

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