Numerische Simulationen für optimierte Dichtungsausführungen

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Elastomer ist der am häufigsten verwendete Dichtungswerkstoff, weil er es den Dichtungen ermöglicht, den Bewegungen der Gegenlaufflächen zu folgen (Wellen, Stangen oder Lager). Bei der Simulation von Dichtungen wird deshalb eine zuverlässige Methode zum Simulieren hyperelastischer Werkstoffmodelle benötigt, die große Verformungen in multiplen Ausrichtungen nachvollziehen kann.

Elastomer ist ein nahezuinkompressibles Material

Elastomer ist auch ein nahezu inkompressibles Material, das heißt, die Volumenänderung eines zusammengedrückten oder gedehnten Elastomermusters vor und nach der Verformung ist nahezu null. Dies ist ein Werkstoffverhalten, das die numerischen Verfahren der herkömmlichen Simulationssoftware vor Probleme stellt. Die Inkompressibilität des Materials bewirkt numerische Instabilitäten, die im Allgemeinen als Volumenblockieren (Volumetric Locking) bezeichnet werden. Um diesen Blockiereffekt zu unterdrücken, wurde eine spezielle Implementierung des Integrationsschemas vorgenommen, die für genaue und stabile Ergebnisse sorgt [1].

Im Rahmen einer Literaturrecherche hat sich zur Lösung des Volumenblockierens die F-Bar-Methode [1] angeboten, bei der eine Änderung der in der Literatur [2] dargestellten traditionellen Integrationsverfahren erforderlich ist. In Bezug auf diesen Aspekt hat die Zusammenarbeit mit Universitäten, insbesondere mit der Universität Twente in den Niederlanden, den Nachweis für die Richtigkeit und Genauigkeit der implementierten Algorithmen erbracht. Dadurch wird die Qualität der Berechnung vergleichbar mit der Lastberechnung, die mit einem der handelsüblichen FE-Programme wie Abaqus, Marc oder Ansys durchgeführt wird.

Kontaktmechanik für den Umgang mit Übermaßen

Radialwellendichtringe müssen prinzipiell mit einem bestimmten vorgegebenen Übermaß zwischen Bohrung und Welle eingebaut sein. Eine Simulation des Kontakts zwischen den Dichtungen und den umgebenden Oberflächen (Gehäuse, Wellen, Schleuderscheiben oder Lager) ist deshalb sehr wichtig (Bild 5).

Um das Übermaß zwischen Dichtungen und Umbauteilen der Anwendung richtig simulieren zu können, war die Kontaktmechanik eine der Hauptanforderungen bei der Entwicklung des Softwaretools.

Für den Kontakt gibt es verschiedene Lösungen in numerischen Codes. In Anbetracht der Art des Werkstoffs, der sich normalerweise in Kontakt befindet (meist Elastomer und Stahl), wird angenommen, dass es keine Kopenetration zwischen den kontaktierenden Bauteilen gibt.

Diese Annahme führte zur Anwendung der Lagrange-Multiplikatormethode (die Dichtungsverformung wird gezwungen, mathematisch gleich den Restriktionen zu sein, die von den umgebenden Gegenlaufflächen vorgegeben werden) anstelle der sogenannten Penalty-Methode (die Dichtungsverformung wird zwangsweise Penalty-Funktionen unterworfen, die bei Verletzung der Restriktionen aktiviert werden).

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