Fluid-Struktur-Interaktion

Der Lehrstuhl beschäftigt sich mit der ganzheitlichen Fluid-Struktur-Interaktion dynamischer Systeme, wobei die resultierenden Schwingungsphänomene und Anregungsmechanismen im Fokus der Analysen stehen. Für die Bearbeitung der daraus resultierenden Fragestellungen ist zunächst die Beschreibung der schwingungsfähigen Struktur notwendig, wobei auf gängige Verfahren der FEM bzw. MKS zurückgegriffen werden kann. Die anschließende Kopplung mit dem Fluid bedingt im Allgemeinen eine rückwirkungsbehaftete Beschreibung, wobei tiefgreifende numerische und informationstechnische Kenntnisse notwendig sind. Hierbei existieren keine allgemeingültigen Schnittstellen, vielmehr ist die Beschreibung aufgrund der großen Diversität problemangepasst umzusetzen.

Dynamische FEM-Simulation

Die Beschreibung elastischer Strukturen erfolgt vorteilhaft unter Nutzung von Finite-Element-Simulationen. Dabei können problemangepasste Modelle verwendet werderen, die eine Untersuchung des statischen oder dynamischen Systemverhaltens ermöglichen. Im Kontext der dynamischen Beurteilung dieser Strukturen können Modalanalysen durchgeführt werden, die das Eigenverhalten der Struktur beschreiben und ein grundlegender Schritt für die weitere Untersuchung des Systems darstellen. Unter Nutzung geeigneter Messtechnik kann ein Abgleich zwischen dem verwendeten Modell und der realen Struktur erfolgen. Darüber hinaus kann unter Kenntnis der äußeren Anregung das Schwingungsverhalten durch transiente Simulationen ermittelt werden. Ein wesentlicher Aspekt dieser Untersuchungen ist die Beschreibung nichtlinearer Eigenschaften (Materialverhalten, Kontakt, Lagersteifigkeiten etc), die in geeigneter Weise eingebunden werden müssen. Aufgrund der Beschreibungsform ist eine Abbildung großer translatorischer oder rotatorischer Bewegungen bzw. die Implementierung von numerisch steifen Kraftelementen mit hohen Rechenzeiten verbunden. Diesem Verhalten kann durch Verwendung geeigneter Reduktionsmethoden Rechnung getragen werden und der numerische Aufwand dadurch deutlich reduziert werden. Für die FEM-Simulationen kommen sowohl kommerzielle Programme zum Einsatz, als auch (speziell unter dem Fokus erweiterter Reduktionsmethoden und der Einbindung elastischer Strukturen in MKS) eigene Entwicklungen. Kontakt

Eigenformen eines Turboladergehäuses

Schwingungen einer Ölwanne

Mehrkörpersimulation mit starren und elastischen Komponenten

Für die Beschreibung von Systemen, die im Betrieb große Translationen und Rotationen ausführen, sind MKS-Algorithmen prädestiniert. Sollen neben den reinen Starrkörpereigenschaften auch elastische Deformationen berücksichtigt werden, bietet sich eine Beschreibung auf FE-Basis an, wobei eine Reduktion der Freiheitsgradanzahl unumgänglich ist. Daraus abgeleitet kann das dynamische Systemverhalten unter Wirkung beliebiger nichtlinearer Kraftelemente abgebildet werden. Kontakt


MKS-Modell des Emobility Fahrzeugs der OvGU "Editha"				Deformation eines Abgasturboladers im Betrieb (500 fach überhöht)

Integration nichtlinearer Lagereigenschaften

Neben den Masseigenschaften definieren die Systemsteifigkeiten und -dämpfungen das dynamische Verhalten. Dabei kommt den Lagereigenschaften (Gleitlager, Wälzlager, Luftlager) eine besondere Bedeutung zu, da diese in der Regel hochgradig nichtlinear sind. Allgemein ist die Beschreibung auf differentielle Zusammenhänge zurückzuführen, die vom aktuellen kinematischen Zustand des Systems abhängen. Darauf aufbauend können für MKS-Anwendungen spezialisierte Kraftelemente erstellt werden, welche die nichtlineare Charakteristik unter Lösung der Differentialgleichung abbilden und die resultierenden Kräfte auf die Struktur aufprägen. Entsprechende Algorithmen wurden im Kontext verschiedener Dissertationen sowie geförderter Forschungsvorhaben entwickelt und sind auch Teil des inhouse entwickelten MKS-Programms EMD (Homepage). Kontakt


Druckentwicklung im Schwimmbuchsenlager eines Abgasturboladers				Wälzlagerelement mit Kontaktkraftverteilung				Kurbeltrieb mit elastischem Pleuel

Ganzheitliche Beschreibung von Struktur und Lagerung

Die ganzheitliche Beschreibung der Interaktion von Struktur und Lagerung ermöglicht neben der formalen Abbildung der Lagerung als nichtlineares Feder-Dämpfer-Element auch die Einbeziehung elastischer Deformationen (global und lokal) in die Systemeigenschaften. Darüber hinaus können mit den Informationen der Oberflächengeschwindigkeiten auch akustische Fragestellungen untersucht werden, die eine wesentlichen Beitrag zur Schallreduktion und damit Kundenzufriedenheit darstellen. Kontakt

Ansatz zur ganzheitlichen Beschreibung des akustischen Verhaltens eines Kurbeltriebs
(Quelle: Duvigneau et al. A holistic approach for the vibration and acoustic analysis
of combustion engines including hydrodynamic interactions.
Archive of Applied Mechanics, 2016. DOI 10.1007/s00419-016-1153-5)

Modellierung der Temperaturentwicklung in Lager und Struktur

Neben der Abbildung des Einflusses der elastischen Deformation auf die Lagereigenschaften und damit das Schwingungsverhalten können auch weitere Feldprobleme und deren Interaktion abgebildet werden. Das bezieht sich zunächst auf das Temperaturfeld, welches im Bereich der Gleitlagerung eine Veränderung der dynamischen Viskosität und des Lagerspiels bewirkt. Diese führt zu einer Veränderung des Druckaufbaus, welche sich wiederum das Schwingungsverhalten und auch die Temperaturentwicklung beeinflusst. Die Modellierung dieser rückwirkungsbehafteten Vorgänge kann nur ganzheitlch und unter Berücksichtigung des transienten Verhaltens erfolgen, wodurch die zuvor beschriebenen Aspekte vollumfänglich berüchsichtigt werden müssen. Diese Fragestellung ist im Kontext der Rotordynamik von Turboladern Gegenstand des von der AiF geförderten Projekts Thermisch erweiterte Rotordynamik von Turboladern, IGF-Nr.: 18760. Kontakt

Ganzheitlicher Modellierungsansatz

Interaktion zwischen Luftströmung/Flüssigkeitsströmung und Strukturschwingung

Neben der Abbildung nichtlinearer Lagereigenschaften können auch weitere Kopplungen zwischen Strukturschwingungen und dem umgebenden Fluid beobachtet werden. In diesem Kontext wurde der Anströmvorgang von Lüfterrädern untersucht und eine Vorgehensweise entwickelt, welche die Anregung der Strukturschwigungen auf Grundlage des Druckfelds ermittelt. Letztlich wurde dabei eine einseitige CFD-FEM-Kopplung verwendet, da die Rückwirkung der Strukturschwingungen auf die Luftströmung vernachlässigt werden konnten. Im Gegensatz dazu ist diese Rückwirkung bei der Untersuchung von selbsttätigen Auswuchteinheiten nicht zu vernachlässigen. Die Flüssigkeit, welche in Fluid-Balancern verwendet wird bzw. bei Festkörper-Balancern die Mitnahme der Ausgleichsmassen realsiert, ist abhängig von der Rotordynamik, wirkt sich allerdings auch direkt auf diese aus. Für die ganzheitliche Abbildung ist deshalb eine direkte Kopplung unumgänglich. Kontakt


Lüfterrad PIV Messung				Lüfterrad CFD-Simulation				Lüfterrad gekoppelte Struktursimulation