Simulation von Wellendichtringen mit einer Vielteilchenmethode

Abstract

Wellendichtringe sind Dichtelemente, die an rotierenden Wellen das Austreten von Schmiermittel und das Eindringen von Schmutzpartikeln verhindern sollen. Um deren dynamisches Verhalten rechnergestützt mit Simulationen zu untersuchen, werden auf dem Stand der Technik die Methode der finiten Elemente (FEM) aber auch vereinfachte mechanische Ersatzsysteme verwendet. Die FEM erfordert eine hohe Rechenkapazität und ein vereinfachtes Ersatzsystem, wie zum Beispiel das des Ein-Massen-Schwingers, kann das Verhalten unter Umständen nur mit sehr eingeschränkter Genauigkeit wiedergeben. In dieser Arbeit wird ein Verfahren prä- sentiert, das zwischen beiden Methoden anzusiedeln ist und schon erfolgreich für Untersuchungen des dynamischen Verhaltens von Reifen angewendet wurde. Dabei wird das betrachtete dreidimensionale Kontinuum systematisch in Masse- punkte aufgelöst, die untereinander durch gelenkig angeschlossene längsverform- bare Stabelemente verknüpft sind. Dadurch wird im räumlichen Fall ein System aus 3n (n ist die Anzahl der Massepunkte) miteinander gekoppelten gewöhnlichen (und nicht, wie in der Kontinuumstheorie üblicherweise partiellen) Differentialglei- chungen gewonnen. Dieses wird im vorliegenden Fall mit einem Integrationsver- fahren numerisch im Zeitbereich gelöst. Vorteilhaft ist auch, dass durch die lokal eindimensionale Betrachtung materielle Nichtlinearitäten direkt mit rheologischen Materialmodellen umgesetzt werden können. Zunächst wird das Verfahren der Vielteilchenmethode an einem Biegebalken mit nichtlinearem Materialverhalten vorgestellt und anschließend auf eine Manschettendichtung übertragen. Im Unter- schied zur FEM steht hierbei nicht die hochpräzise Auflösung innerer Spannungs- zustande, sondern die äußere Dynamik im Fokus des Interesses. Langfristig wird somit ein Verfahren zur numerischen Analyse dynamischer Dichtprozesse erarbei- tet, mit dem Betriebsschwingungen von Wellendichtringen und deren dynamische Interaktion mit der Gegenlauffläche untersucht und bei der Auslegung von Dicht- systemen eingesetzt werden können.