Modellierung und Simulation des statischen und dynamischen Verhaltens vorgespannter Fugen in Werkzeugmaschinen mittels Relativbettungselementen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Ihlenfeldt, seit 12/2015
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 276183611

Die Finite Elemente Methode (FEM) ist ein wichtiges und nicht mehr wegzudenkendes Hilfsmittel zur Simulation des statischen und dynamischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen. Die in der FEM eingesetzten Elemente verwenden Ansatzfunktionen zur Approximation ihres physikalischen Verhaltens. Typischerweise kommen dabei lineare oder auch höherpolynomische Funktionen zur Anwendung. Die Verwendung von linearen Elementen hat zwar den Vorteil der numerischen Einfachheit, jedoch den Nachteil, dass für eine ausreichende Modellgüte viele Elemente erforderlich sind. Demgegenüber kann mit wenigen höheren Elementen ebenfalls ein hinreichend genaues Modell erstellt werden. Die Modellierung von elastischen Fugen (z. B. an Verbindungsstellen von WZM-Baugruppen) stellt in diesem Zusammenhang bislang ein größeres Problem dar. Die heute hierbei verwendeten Modelle sind nur begrenzt für eine rechnerische Modal- und Frequenzganganalyse von Werkzeugmaschinen brauchbar. Eine realitätsnahe Vorhersage des statischen und dynamischen Verhaltens von über Fugen verbundenen Baugruppen wird damit schwierig. Dieses Forschungsvorhaben will daher einen Ansatz zur Modellierung von vorgespannten linearelastischen Fugen schaffen und anwenden, welcher die bisher übliche, feine Vernetzung an den Fugenflächen überflüssig macht und zudem mit höherpolynomischen finiten Elementen (z. B. Balken- und Schalenelementen) kompatibel ist. Auf diese Weise soll die derzeit bestehende Lücke zwischen den Beschreibungen mittels diskreter Feder-Dämpfer-Elemente oder Materialschichten einerseits und den diversen nichtlinearen Kontaktmodellen andererseits geschlossen werden. Außerdem erlaubt erst diese Methode - über den dann deutlich kleineren Systemfreiheitsgrad - eine effiziente modellgestützte Identifikation von Steifigkeits- und Dämpfungsparametern an Fugen.Das hier beantragte erste Projektjahr befasst sich mit dem experimentellen Nachweis einer hinreichenden Zulässigkeit zur modellseitigen Linearisierung von Steifigkeit und Dämpfung in verspannten Fugen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Knut Großmann, bis 12/2015 (†)