Der Einfluss von Druckabbauraten auf das Schädigungsverhalten hydraulischer Komponenten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Marcus Geimer
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449676223

Im beantragten Forschungsprojekt werden Erkenntnisse zum Rissfortschrittsverhalten eines mit Hydraulikfluid in Kontakt stehenden Bauteils bei Druckabbauraten von betragsmäßig bis zu 1.000.000 bar/s generiert. Das Kernziel des Projekts ist ein Verständnis der Effekte zu generieren, welche zu einem frühzeitigen Ausfall durch hohe Druckabbauraten führen. Der aktuelle Stand der Forschung ist dabei mit seinen präsentierten Theorien und Ergebnissen widersprüchlich. Es wird untersucht, worin sich die Theorien auf makro- sowie mikroskopischer Ebene unterscheiden. Dadurch kann die Hypothese des Keileffektes durch Öl bei Bauteilen mit einer druckinduzierten Verformung verifiziert oder falsifiziert werden. Mit diesem Forschungsprojekt können die Grundlagen erarbeitet werden, die zu einer Schädigungstheorie für ebendiese Komponenten führen.Hierfür werden aufbauend auf eigenen Vorarbeiten die im Rissspalt auftretenden Effekte mit Hilfe von Simulationsmethoden nachgestellt und weiter analysiert. Der Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung des Rissschließverhaltens beim Druckabbau unter Berücksichtigung realitätsnaher Druckänderungsraten und Rissgeometrien. Als Untersuchungsobjekt eignet sich aus aktuellem Kenntnisstand die Untersuchung des Risswachstums bei der vereinfachten Geometrie eines mit einem Gewindestopfen verschlossenen Hochdruckmessanschlusses einer Axialkolbenpumpe. Als Simulationsansatz dient ein Fluid-Struktur-Interaktions-Modell, welches die auftretenden mechanischen und fluidmechanischen Vorgänge in Wechselwirkung zueinander setzen kann.Mit Hilfe eines Fluid-Struktur-Interaktionsmodells und unter Erweiterung desselben in Bezug auf das Schließverhalten des Spalts, die Modellierung des Rissforschritts und der Modellierung kleiner Spalthöhen werden ein Verständnis über das beschriebene Rissverhalten aufgebaut und Schädigungsmechanismen erforscht. Durch die Anwendung von Ähnlichkeitstheorien werden Ersatzsysteme (Variation der Geometrie und Ölviskosität) abgeleitet, welche bei kongruenter Belastung unter gleichzeitiger Reduktion der benötigten Rechenressourcen ein physikalisch vergleichbares Verhalten aufweisen. Die Ergebnisse der Simulation dienen der Herleitung der analytischen Grundlagen zu einer sicheren Vorhersage der Bauteilbelastung in Abhängigkeit der Druckabbauraten und dem Erkenntnisgewinn der darin zugrundliegenden Schädigungsmechanismen zu einem beschleunigten Risswachstum.Eine Parametrierung des Simulationsmodells und eine Verifizierung der getroffenen Annahmen und aufgestellten Modelle erfolgt durch Druckimpulsprüfungen der betrachteten Komponenten. Es werden Komponentenproben aufbereiten und spitze Risse induziert. Die Verläufe der Druckimpulse werden unter Berücksichtigung gültiger Normen den in der Simulation auftretenden Belastungen nachempfunden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen