Mechanik, Fachgebiet Systemdynamik und Reibungsphysik

Forschung

Randelementenmethode

In den letzten Jahrzehnten wurde die Boundary-Element-Methode (BEM) zur Analyse verschiedener technischer Probleme verwendet. Für einige Anwendungen hat es sich zu einer starken Alternative zur Finite-Elemente-Methode (FEM) entwickelt. Die Boundary-Element-Methode hat sich in den letzten Jahren zum effizientesten numerischen Verfahren im Bereich der Kontaktmechanik entwickelt und wird dort mit großem Erfolg zur Simulation rauer Oberflächen und adhäsiver Kontakte eingesetzt. Die hohe Effizienz des Verfahrens in diesem Bereich ergibt sich daraus, dass sich die Randintegrale über einer Halbraumfläche zu zweidimensionalen Faltungen vereinfachen, die mit der Fast Fourier Transformation (FFT) einfach und schnell ausgewertet werden können. Diese FFT-basierte BEM hat in den letzten Jahren neue Maßstäbe gesetzt und sich sowohl in der akademischen als auch in der industriellen Forschung und Entwicklung zur Methode der Wahl entwickelt.

Am Lehrstuhl für Systemdynamik und Reibungsphysik wurden effiziente Implementierungen der FFT-basierten BEM entwickelt, die es ermöglichen, hochentwickelte Studien durchzuführen. Ein exemplarisches Projekt finden Sie im Friction-Sonderheft 2017 (siehe rechts). Die entwickelten Tools bilden die Grundlage für mehrere Partnerschaften des Fachgebietes mit der Industrie, die von der Automobil- bis zur Luft- und Raumfahrtbranche reichen. Die FFT-basierte BEM wird von uns kontinuierlich weiterentwickelt und bisher auf die Simulation von Adhäsion, Potenzgesetz-gradierten Materialien und geschichteten Materialien erweitert (siehe beispielhafte Veröffentlichungen unten).

Valentin L. Popov, Roman Pohrt, Qiang Li: Strength of adhesive contacts: Influence of contact geometry and material gradients,  Friction, vol. 5, no. 3, pp. 308–325, 2017

R. Pohrt, V. L. Popov: Adhesive contact simulation of elastic solids using local mesh-dependent detachment criterion in Boundary Elements Method,  Facta Universitatis, Series: Mechanical Engineering, vol. 13, no. 1, pp. 1-10, 2015

R. Pohrt, Q. Li: Complete Boundary Element formulation for normal and tangential contact problemsPhysical Mesomechanics, vol. 17, no. 4, pp. 334-340, 2014

Q. Li, V. L. Popov: Boundary Element Method for normal non-adhesive and adhesive contacts of power-law graded elastic materialsComputational Mechanics, vol. 61, no. 3, pp. 319-329, 2018

Q. Li, R. Pohrt, I. A. Lyashenko, V. L. Popov: Boundary Element Method for nonadhesive and adhesive contacts of a coated elastic half-spaceProceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, vol. 234, no. 1, pp. 73-83, 2020

Zukünftige Visionen unseres Fachgebietes in Bezug auf die Boundary-Element-Methode beinhalten die Erweiterung der FFT-basierten BEM, um noch vielseitigere und leistungsfähigere Simulationswerkzeuge zu schaffen. Wir erwarten nicht nur, dass solche Verbesserungen zu neuen Entdeckungen auf dem Gebiet der Kontaktmechanik und Reibung führen werden, sondern glauben auch, dass sie viele industrielle Anwendungen erheblich verbessern und die Entwicklung sichererer, energieeffizienterer und umweltfreundlicherer Produkte ermöglichen werden. Ein besonderer Vorteil kann der positive Einfluss sein, den solche hochentwickelten Computertechniken im Hinblick auf aktuelle Automatisierungstrends in der Fertigung (Industrie 4.0) haben können.