Konstitutive Gesetze für den Kontakt rauer Oberflächen

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Kai Willner
• Subject Area: Mechanics
• Term: from 2005 to 2010
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5442451

• Final Report Year: 2010

Final Report Abstract

Das elastische Halbraummodell für den Normalkontakt, welches schon vor der Beantragung des Forschungsprojektes am Lehrstuhl vorhanden war, wurde für den elastoplastischen Normalkontakt und den elastischen Tangentialkontakt erweitert. Dadurch ist es möglich, das Kontaktverhalten von rauen metallischen Oberflächen zu simulieren und den Einfluss von fraktalen Parametern zu untersuchen. Zur Verifikation der Simulationsergebnisse wurden Normal- und Tangentialkontaktprüfstände konstruiert. Dabei wurden Versuche mit Proben, bestehend aus verschiedenen Werkstoffen und unterschiedlich bearbeiteten Oberflächen, durchgeführt. Durch die numerischen und experimentellen Untersuchungen können die Druck-Abstands-Kurve, die tangentiale Haftkontaktsteifigkeit, das Mikroschlupfverhalten und der Reibkoeffzient ermittelt werden. Zusätzlich wird in den Halbraumsimulationen die wahre Kontaktfläche in Abhängigkeit vom Druck berechnet. Die Implementierung von Kontaktgesetzen wurde in einem Finite-Elemente- Programm durch Zero-Thickness (ZT)-Elementen umgesetzt, wodurch das Normal- und Tangentialkontaktverhalten von Fügestellen simuliert werden kann. Die Versuchs- und Simulationsergebnisse zeigen, dass die plastische Deformation der Rauheitsspitzen aufgrund des Normalkontakts sehr gut durch fraktal-reguläre Oberflächen beschrieben werden kann. Im Gegensatz dazu wird die elastische Rückfederung bei Ent- und Wiederbelastung von Formfehlern, wie Schrägen und Welligkeiten, dominiert. Beim Tangentialkontakt verursachen Formfehler eine starke Abnahme der tangentialen Haftkontaktsteifigkeit und f¨hren zu einer Verlängerung des Mikroschlupfbereichs. Dagegen kann die Verringerung der Steifigkeit aufgrund der Rauheit vernachlässigt werden. Die Höhe der tangentialen Haftkontaktsteifigkeit hängt zusätzlich von der Einspannsituation ab, da durch eine Veränderung der Relativposition der vorgespannten Teile die Druckverteilung in der Fügestelle beeinflusst wird. Auf Basis der fraktal-regulären Oberflachenbeschreibung, wurde ein Plastizitätsindex ermittelt, mit dem bei Erstbelastung bestimmt werden kann, ob sich die raue Oberfläche plastisch oder elastisch verhält. Zusätzlich wurde das BGT-Modell für den elastischen Normalkontakt von fraktal-regulären Oberflächen erweitert. Für die Beschreibung des plastischen Normalkontakts kann das Modell von Tsukizoe und Hisakado oder die Materialanteilkurve verwendet werden. Zur Beschreibung des Normal- und Tangentialkontaktverhaltens aufgrund von Formfehlern, wurden noch keine konstitutiven Kontaktgesetzte ermittelt. Dies ist zusammen mit der Modellierung des Abriebs, der während der Tangentialbelastung von metallischen Oberflächen auftritt, eine Aufgabe für weitere zukünftige Arbeiten. Die Untersuchungen des Forschungsprojekts beziehen sich auf das Kontaktverhalten von typischen Fügestellen, wie Schraub- und Pressverbindungen. Aufgrund der niedrigen Drücke ist die einfache elastoplastische Erweiterung des Halbraummodells, wie sie im Fortsetzungsantrag beschrieben wurde, ausreichend. Um die Verformung der Oberfläche durch Umformprozesse zu beschreiben, ist eine genauere Modellierung des plastischen Verhaltens, bei der die Spannungen im Material berücksichtigt werden, erforderlich.

Publications

• Contact of fractal surfaces - Experimental and numerical results. In: PAMM 6. Berlin 2006
  Willner, K.; Goerke, D.
  
• Contact of rough surfaces - A comparison of experimental and numerical results. In: Proceedings of the III. European Conference on Computational Mechanics. CD-ROM. Lisbon, Portugal 2006
  Willner, K.; Goerke, D.
  
• Numerical and experimental investigations of joint deflections under normal load. In: Universität Stuttgart, Institut für Angewandte und Experimentelle Mechanik (Hrsg.): Angewandte und Experimentelle Mechanik - Ein Querschnitt, S. 305–316. Tönning: Der Andere Verlag, 2006
  Willner, K.; Goerke, D.
  
• Fully Coupled Frictional Contact Using Halfspace Theory. In: Journal of Tribology 130 (2008), S. 031405–1–031405–6
  Willner, K.
  
• Investigations of the influence of geometrical irregularities and roughness on the normal contact stiffness of joints. In: PAMM 8. Bremen 2008
  Goerke, D.; Willner, K.
  
• Influence of Surface Parameters on the Elastoplastic Contact Behavior of Fractal-Regular Surfaces. In: Journal of Tribology 130 (2008), S. 024502–1– 024502–6
  Willner, K.
  
• Measured and simulated contact stiffness of dry, metallic joints. In: Proceedings of the 8th.World Congress on Computational Mechanics (WCCM8). CD-ROM. Venice, Italy, 2008
  Goerke, D.; Willner, K.
  
• Normal contact of fractal surfaces - Experimental and numerical investigations. In: Wear 264 (2008), S. 589–598
  Goerke, D.; Willner, K.
  
• Experimental setup for normal contact stiffness measurement of technical surfaces with geometrical irregularities. In: Experimental Techniques November/December (2009)
  Goerke, D.; Willner, K.