ALE-Interface-Kopplung für den transienten Profileingriff beim Rollkontakt

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Udo Nackenhorst
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 70061889

• Erstellungsjahr: 2012

Zusammenfassung der Projektergebnisse

In diesem Projekt wurden Finite Element Methoden für die numerisch effiziente Behandlung von profilierten Reifen in Kontakt mit einer rauen Fahrbahn entwickelt, erprobt und deren Leistungsfähigkeit an Beispielen demonstriert. Das Ziel war die Bereitstellung numerischer Berechnugnsverfahren zur Simulation der Rollkontaktdynamik profilierter Kfz-Reifen für die aussagekräftige Prognose wichtiger Gebrauchseigenschaften, wie z.B. Rollwiderstand, Traktion und Verschleiß. Für die numerisch effiziente Berechnung von Rollkontaktproblemen hat sich die gemischte Lagrange-Eulersche (ALE) Betrachtungsweise etabliert. Der Vorteil dieser relativkinematischen Beschreibung liegt in der zeitunabhängigen Formulierung des stationären Rollvorgangs und in der Möglichkeit, Netzverfeinerungen auf den Kontaktbereich zu beschränken. Mit dieser Beschreibung können heute sehr detaillierte Reifenmodelle berechnet werden. Allerdings erfordert diese Formulierung eine rotationssymmetrische Geometrie, womit der Profilstolleneingriff nicht unmittelbar behandelt werden kann. Für eine Vielzahl an technischen Fragestellungen, wie z. B. Rollwiderstand, Traktionsverhalten und Nassgriffverhalten, ist es von besonderer Bedeutung das Profil konsistent abzubilden. Der Rollwiderstand ist in erster Linie auf die dissipativen Eigenschaften des Gummis zurückzuführen. Nach dem aktuellen Stand der Forschung sind diese Untersuchungen nur durch die materielle Betrachtung des gesamten Reifens durchzuführen. Durch den Reifen-Fahrbahn-Kontakt ist eine hohe zeitliche Auflösung erforderlich, wodurch es für die Industrie zu nicht tragbaren Rechenzeiten kommt. Mit diesem Forschungsprojekt wird die effiziente ALE-Methode um eine Kopplungsmethode erweitert, um weiterhin die Karkasse in der relativkinematischen Formulierung und die Profilstollen in Lagrangescher Formulierung zu beschreiben. Basierend auf der von Ziefle vorgeschlagenen Tangentialkontaktformulierung für den Reifen-Fahrbahn-Kontakt im Rahmen der ALE-Formulierung, wird ein ALE- Kopplung-Interface entwickelt, um in einer mehrskaligen Analyse Karkasse und Profil aneinander zu koppeln. Damit bleibt zum größten Teil die Effizienz der ALE-Formulierung für die Karkasse erhalten und die Geometrie sowie das Materialverhalten des Profils kann beliebig detailliert in Lagrangescher Betrachtungsweise modelliert werden. Weiterer Vorteil dieser Herangehensweise ist die entkoppelte Betrachtung von Karkasse und Profilstollen auf unterschiedlichen Zeitskalen. Der nächste Schritt ist die systematische Untersuchung von technischen Fragestellungen wie Rollwiderstand und Nassgriffverhalten. Hierzu sind insbesondere die viskoelastischen Eigenschaften des Laufstreifengummis zu beschreiben. In einem weiteren von der DFG geförderten Projekt innerhalb der Forschergruppe wird die Temperaturabhängigkeit dieser Eigenschaften beim stationären Rollen berücksichtigt. Werden diese beiden Arbeiten verknüpft, liegen abgesicherte Berechnungsmethoden für die Simulation von profilierten Reifen vor. Bei herkömmlichen Finite Element Modellen besteht die Problematik, dass die Geometrie infolge der Diskretisierung nicht exakt beschrieben werden kann. Insbesondere bei der Berechnung von Kontaktprobleme oder wie hier von Interfaceproblemen sind Unstetigkeiten in der Geometrie unerwünscht. Aktuell werden in der Forschergruppe isogeometrische Ansätze für die Finite Element Methode verfolgt, die es ermöglichen die Geometrie exakt zu beschrieben. In künftigen Arbeiten könnten diese Formulierungen am Beispiel des Reifens erprobt und getestet werden. Besonderes Augenmerk ist dabei auf die Kontaktformulierungen zu richten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Finite Element Simulation of Tires - Challenges for the constitutive modelling of rubber, Kautschuk, Gummi, Kunststoffe, 4:28-29, (2008)
  U. Nackenhorst
  
• On the Excitation of Rolling Tires from the Road Surface Texture, PAMM, Proc. Annual GAMM Conference, 1:10319-10320, (2008)
  M. Brinkmeier, U. Nackenhorst, A. Suwannachit
  
• A Comparsion of the Modal Superposition Method with the Nonlinear Transient Analysis related to Rolling Tires, GAMM 2009, Danzig, Polen
  R. Chiarello, U. Nackenhorst
  
• ALE-interface coupling for multiscale tread contact analysis, ICMM 2009, Dortmund
  R. Chiarello, U. Nackenhorst
  
• An ALE-Interface Coupling for Multiscale Analysis of Treaded Tires, 3rd GACM Colloquium 2009, Hannover
  R. Chiarello, U. Nackenhorst
  
• Computational methods for rolling contact analysis, ICCCM 2009, Lecce, Italy
  U. Nackenhorst
  
• Constitutive Modeling of Rubber Behavior with an Application to Dynamics of Rolling Tires, PAMM, Proc. Annual GAMM Conference, 1:317-318, (2009)
  A. Suwannachit, U. Nackenhorst
  
• Constitutive Modelling of Rubber Behavior with an Application to Dynamics of Rolling Tires, GAMM 2009, Danzig, Polen
  A. Suwannachit, U. Nackenhorst
  
• Dynamics of Bodies in Rolling Contact - A Multi Scale Approach, COMPLAS X Konferenz 2009, Barcelona, Spanien
  U. Nackenhorst, R. Chiarello, A. Suwannachit
  
• Dynamics of Bodies in Rolling Contact - A Multi Scale Approach, Proc. X International Conference on Computational Plasticity, Barcelona, (2009)
  U. Nackenhorst, R. Chiarello, A. Suwannachit
  
• A Tire Model for Individual Car Indoor Noise Simulation, GAMM 2010, Karlsruhe
  R. Chiarello, U. Nackenhorst
  
• A Tire Model for Individual Car Indoor Noise Simulation, PAMM, Proc. Annual GAMM Conference, 10:147-148, (2010)
  R. Chiarello, U. Nackenhorst
  
• Computational approach for the prediction of rubber behavior in a broad frequency domain, ECCM 2010, Paris, Frankreich
  A. Suwannachit, U. Nackenhorst
  
• Dynamics of structures in rolling contact - Computational Techniques and Physical Interpretation -, WCCM 2010, Syndey, Australien
  U. Nackenhorst, R. Chiarello
  
• Finite Element Techniques for Rolling Rubber Wheels, Elastomere Friction, Lecture Notes in Applied and Computational Mechanics, 51:123-163, (2010)
  U. Nackenhorst, M. Ziefle, A. Suwannachit
  
• Stabilized numerical solution for transient dynamic impact of inelastic solids with rough surfaces: apllication with rolling contact analysis, ICCCM 2011, Hannover
  A. Suwannachit, U. Nackenhorst, R. Chiarello