Structural damping in contacts and joints subjected to simultaneous action of normal and tangential vibrations (Relaxation damping)
Final Report Abstract
Dieses Projekt war einer ausführlichen theoretischen und experimentellen Untersuchung der Energiedissipation in Reibkontakten unter gleichzeitiger Wirkung von horizontalen (in-plane) und vertikalen (out-of-plane) Oszillationen gewidmet. Abhängig von den Schwingungsamplituden lassen sich drei Bereiche identifizieren: (a) Bereich des vollständigen Gleitens (kleine Reibungskoeffizienten oder große Schwingungsamplituden), (b) Bereich des partiellen Gleitens mit überwiegender Wirkung von horizontalen Schwingungen („Mindlinscher“ Bereich) und (c) Bereich nahezu vollständigen Haftens, bei dem Dämpfung erst in Anwesenheit der vertikalen Schwingungen auftritt ("Relaxationsdämpfung"). Analytische Theorien existieren für alle drei asymptotische Bereiche. Im Projekt konnten sie zu einer allgemeinen Theorie zusammengeführt werden, welche die drei Bereiche und Übergänge zwischen Ihnen vollständig abdeckt und zusätzlich auch die Viskosität der kontaktierenden Partner berücksichtigt. Die Ergebnisse wurden durch numerische Simulationen mittels der Methode der Dimensionsreduktion erhalten und in Form von empirischen Näherungen zusammengefasst. Für die experimentellen Untersuchungen wurde eine spezielle Apparatur entwickelt, welche es, mittels dreier Laservibrometer, erlaubte, Verschiebungen der Probe gleichzeitig in zwei oder drei Richtungen zu messen. Dabei wurde festgestellt, dass praktisch eine beliebige Anregung in tangentialer Richtung immer auch zu Schwingungen in Normalrichtung und in der "Querrichtung" in der Kontaktfläche führte. Es bestand die Möglichkeit, die tatsächliche Anregungsart zu identifizieren und zu untersuchen. Sie aber zu beeinflussen und zu kontrollieren war nicht immer möglich. Die „störende“ Anregung war leider nicht vernachlässigbar, sondern immer in der Größenordnung der zu messenden Größen. Diese Schwierigkeit stellt gleichzeitig auch eine wichtige Erkenntnis des Projektes dar. Sie unterstreicht erneut die Wichtigkeit der Normalschwingungen (und auch der "Lateralschwingungen") in reibbehafteten Kontakten auch bei reiner Tangentialanregung – eine Tatsache, die in der Geschichte der Tribologie zwar mehrfach festgestellt und untersucht wurde, aber bisher nie wirklich anerkannt worden ist. Bei einer Stoßanregung wurden die bekannten Arten des Abklingens experimentell bestätigt: Bei der reinen Mindlinschen Dämpfung nimmt die Amplitude mit der Zeit nach einem Potenzgesetz ab, während in Anwesenheit von hochfrequenter Normalschwingung ein exponentieller Abfall der Amplitude beobachtet wird. Eine Analyse aller theoretischen und experimentellen Ergebnisse gestattet es, einfache praktische Regeln für das Design von Reibungsdämpfern zu formulieren: (1) Die optimale Form des Kontaktes ist parabolische Krümmung mit einem Krümmungsradius, bei dem plastische Deformation vermieden wird; (2) Relaxationsdämpfung tritt in den meisten praktischen Fällen "automatisch" auf, da auch bei rein tangentialer Anregung vertikale Schwingungen mit einer vergleichbaren Amplitude praktisch nicht zu vermeiden sind; (3) Zur Vermeidung von Verschleiß ist es vorteilhaft, in dem Plateau-Bereich der Relaxationsdämpfung zu operieren. Dieses Regime stellt sich auch bei rein tangentialer Anregung mit Amplituden ein, die kleiner als die Indentierungstiefe multipliziert mit dem Reibungskoeffizienten sind.
Publications
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On the possibility of frictional damping with reduced wear: A note on the applicability of Archard's law of adhesive wear under conditions of fretting, Physical Mesomechanics, 21 (1), 94-98 (2018)
Q Li, VL Popov
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Stiff and soft active control of friction by vibrations and their energy efficiency, Forschung im Ingenieurwesen 82 (4), 331- 339 (2018)
J Benad, M Popov, K Nakano, VL Popov
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Active control of friction by transverse oscillations, Friction 7 (1), 74-85 (2019)
J Benad, K Nakano, VL Popov, M Popov
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Frictional energy dissipation in a contact of elastic bodies subjected to superimposed normal and tangential oscillations, Phys. Mesomechanics, 23 (6), 556–561 (2020)
T Hanisch, I Richter, Q Li
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The final no-wear state due to dual-mode fretting: Numerical prediction and experimental validation, Wear 458, 203402 (2020)
AI Dmitriev, LB Voll, VL Popov
