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Tribo-X inside ANSYS

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CADFEM ANSYS Extension zur Berechnung von hydrodynamischen Gleitlagern

Komplexität meistern

Das Verhalten gleitgelagerter Wellen hängt in starkem Maße von den dynamischen Eigenschaften des Schmierfilms in den Gleitlagern ab. Für die Simulation der Schmierfilmausbildung hat sich die Elastohydrodynamik (EHD) etabliert. Mit Tribo-X inside ANSYS kann die Berechnung von hydrodynamischen Radialgleitlagern komfortabel und effizient in ANSYS Mechanical durchgeführt werden. Ziel ist die richtige Dimensionierung der Lager sowie die realitätstreue Abbildung der drehzahlabhängigen Steifigkeiten und Dämpfungen in dynamischen FEM-Analysen.


Die wichtigsten Vorteile

  • Vollständige Integration der Gleitlagerberechnung mit Tribo-X in ANSYS Workbench
  • Kurze Berechnungszeiten durch hohe Performance des Tribo-X Solvers
  • Berücksichtigung der elastischen Verformungen des Lagers während des Betriebs
  • Identifikation drehzahlabhängiger Lagerkoeffizienten
  • Parametrischer Workflow

Kopplung von Hydrodynamik und FEM

Das Analysesystem „Hydrodynamic Bearing“ führt die beiden Domänen Hydrodynamik im Schmierspalt und Verformung der Schmierspaltumgebung mittels der Finiten-Elemente-Methode zusammen. Dabei wird die Schmierfilmausbildung in Gleitlagern auf Basis der verallgemeinerten Reynolds’schen Differenzialgleichung mit Tribo-X ermittelt. Die Beschreibung des Lagers erfolgt in ANSYS Workbench anhand des Geometriemodells, technologische Faktoren wie Belastung und Drehzahl werden im Workbench-Projektbaum parametrisch definiert.

Die Ergebnisse der Tribo-X-Analyse ermöglichen die Bewertung der Tragfähigkeit des Gleitlagers. Schnelle Variationsanalysen helfen das Lagerdesign an den Anwendungsfall anzupassen. Für das identifizierte Design lassen sich die Lagerkoeffizienten direkt an ANSYS Mechanical übertragen und ermöglichen so die Berücksichtigung drehzahlabhängiger Steifigkeits- und Dämpfungskoeffizienten für weitergehende rotordynamische Untersuchungen. Durch Berücksichtigung der elastischen Lagerverformungen kann der sich einstellende Schmierspalt genauer ermittelt werden, was sich positiv auf die Lagerauslegung auswirkt.

 

Gleitlagerkoeffizienten

Das Schwingungsverhalten eines gleitgelagerten Rotors wird im Wesentlichen durch die Steifigkeits- sowie Dämpfungscharakteristik des Lagerschmierstoffes beeinflusst. Diese Kennwerte stehen im direkten Zusammenhang mit dem hydrodynamischen Tragdruck, welcher sich für eine vorgegebene Drehzahl ergibt. Je nach Belastungssituation und Drehzahl der Welle können sich die Lagerkoeffizienten stark ändern, sodass ein anderes Systemverhalten vorliegt. Zu diesem Zweck ermittelt Tribo-X inside ANSYS für jeden Betriebszustand die für den Schmierstoff repräsentativen Steifigkeits- und Dämpfungsterme, welche anschließend an das FE-Modell in ANSYS übergeben werden.

Schmierfilmdruck mit und ohne Berücksichtigung elastischer Lagerverformungen über der Drehzahl am Beispiel eines Stehlagers

Kavitation & Tragfähigkeit

Im divergenten Schmierspalt eines Radialgleitlagers kann Kavitation entstehen. Diese muss mit geeigneten Algorithmen beschrieben werden, wenn die Gleitlagerkoeffizienten oder die Wärmebilanz des Lagers richtig berechnet werden sollen. Tribo-X beinhaltet ein Kavitationsmodell, das auftretende Kavitation adäquat abbildet und eine hohe Aussagegüte mit hoher Berechnungsgeschwindigkeit kombiniert.

Schmierfilmdicke mit und ohne Berücksichtigung elastischer Lagerverformungen über der Drehzahl am Beispiel eines Stehlagers

Lagerverformungen (EHD)

Da Verformungen des Lagers die Schmierfilmausbildung bedingt durch Leichtbau oder hohe Beanspruchungen beeinflussen können, ermöglicht Tribo-X inside ANSYS die Berücksichtigung elastischer Verformungen des Lagers und so die Durchführung einer EHD-Lagerberechnung. Elastische Verformungen können die sich einstellende Spaltgröße speziell bei niedrigen Drehzahlen, hohen Lasten oder niedrigen Steifigkeiten mit höherer Genauigkeit abbilden und helfen so, das Lagerdesign optimal zu gestalten und Lagerschäden zu vermeiden.

Parameterstudien

Durch die hohe Performance des EHD Solvers Tribo-X ergeben sich sehr kurze Rechenzeiten, sodass parametrisierte Sensitivitätsstudien bequem in ANSYS durchgeführt werden können. Die Variationsanalyse kann dabei zunächst auf das Lager selbst fokussieren, um eine schnelle Vorauswahl zu ermöglichen. In einem zweiten Schritt steht für die Kombination von Lagerberechnung und FEM-Analyse ein durchgehender Arbeitsprozess zur Verfügung, der Designparameter von Welle und Lager simultan betrachtet und so ein ganzheitliches Optimum des Systems Lager-Welle-Gehäuse gewährleistet.

Der Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie des Institutes für Maschinenkonstruktion beschäftigt sich seit mehr als 50 Jahren mit Fragestellungen zu Reibung, Verschleiß und Schmierung bei unterschiedlichen Maschinenelementen. Tribo-X ist eine Software des Lehrstuhls zur 3D-Simulation von TEHD-Kontakten.

www.tribo-x.com

eCADFEM – Simulation on Demand

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