Adhäsion und Randeffekte in der Kontaktmechanik von Drittkörperpartikeln und ihr Einfluss auf den Partikeltransport und die Reibungseigenschaften

• Antragsteller: Dr.-Ing. Qiang Li
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465596821

Der "dritte Körper" bestimmt wesentlich alle Prozesse in einem tribologischen Kontakt. Das Verständnis der Dynamik des dritten Körpers bildet eines der zentralen Probleme der Tribologie, welches jedoch bis heute – aufgrund der hohen Komplexität der in tribologischen Kontakten ablaufenden Prozesse – noch unzureichend erforscht ist. Das vorliegende Projekt dient der Erforschung einiger Aspekte des dritten Körpers, die mit der Dynamik der Teilchen im Spalt zwischen zwei Kontaktpartnern zusammenhängen. Zu diesem Zweck wird ein System von zwei Grundkörpern mit rauen Oberflächen mit eingeschlossenen Partikeln untersucht. Für die Partikel wird das vollständige Kontaktproblem gelöst, bei welchem die genaue Geometrie des Kontaktes, das quasistatische relative Gleiten der Grundkörper sowie Adhäsion und Reibung im Kontakt der Partikel mit den Grundkörpern berücksichtigt werden. Auch wenn die Grundkörper und die Partikel elastisch sind, bringen Reibung und Adhäsion eine Nichtlinearität in das System. Mit Reibung und Adhäsion werden in das System Prozesse eingeführt, die ähnlich zum plastischen Fließen (Reibung) und Rissbildung (Adhäsion) sind. Somit bleibt das Modellsystem zwar relativ einfach, erfasst aber die wichtigsten qualitativen Prozesse im Kontakt, einschließlich Plastizität und Brucherscheinungen und Partikeltransport auf qualitative Art und Weise. Die Vereinfachungen sind notwendig um das Hauptberechnungsmittel – die Fast Fourier Transform-unterstützte Randelementmethode (FFT-BEM) – einsetzen zu können. Im Rahmen des Projektes werden zwei methodische Probleme der FFT-BEM angegangen: Zum einen, Implementierung der Handhabung der gleichzeitigen Wirkung von Adhäsion und Reibung. Dazu werden zwei Ansätze verfolgt: Ein Ansatz basierend auf der Betrachtung von expliziten adhäsiven Potentialen und das 2020 unter Beteiligung des Antragstellers entwickelte Konzept der Grenzreibung im adhäsiven Kontakt. Zum anderen werden Kontakte mit scharfen Rändern betrachtet und auch dafür die kombinierten Reib- und adhäsiven Wechselwirkungen implementiert. Die entwickelten Methoden werden anschließend zur Simulation von Partikeln im Spalt eingesetzt, wobei im Fokus die makroskopischen Reibungseigenschaften und die Transporteigenschaften stehen. Beim Transport wird insbesondere die "diffusionsähnliche" Bewegung der Teilchen in der Richtung senkrecht zur Gleitrichtung untersucht sowie die Wirkung der makroskopischen Krümmung der Körper und der Nähe des Randes des Kontaktgebietes auf das gerichtete Kriechen von Teilchen zum oder vom Rand des Kontaktes. Für den makroskopischen Reibungskoeffizienten sowie die Transportparameter (einschließlich Diffusions- und Kriechkoeffizienten) werden Parameterstudien durchgeführt mit dem Ziel, die wichtigsten steuernden „Masterparameter“ für Reibungs- und Transporteigenschaften zu bestimmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen