Frictional Heating – Erwärmung einer Bremsscheibe durch Reibung beim Bremsen
Die Kopplung von Simulationen aus mehreren physikalischen Disziplinen gewinnt heute immer stärker an Bedeutung. Durch immer leistungsfähigere Hardware und entsprechend angepasste Software bekommen wir als Berechner die Werkzeuge in die Hand um reale Phänomene – die im seltensten Fall z.B. von rein thermischer Natur sind – immer genauer abzubilden und entsprechende Zusammenhänge und Wechselwirkungen darzustellen.
Ein Beispiel aus jedermanns Alltag ist die Bremse, die Bewegungsenergie durch Reibung in Wärme umwandelt und so einen unauffälligen aber ganz entscheiden Beitrag zu unser aller Sicherheit leistet. Diesen Vorgang, der also die Kopplung einer mechanischen und einer thermischen Fragestellung beinhaltet, möchten wir im Folgenden veranschaulichen. Dazu haben wir aus unserem MicroConsult SimCar, welches speziell für Test- und Benchmarkmodelle konstruiert wurde, ein Simulationsmodell der Bremsen abgeleitet.
Das Setup wurde mit der Ansys Workbench so erstellt, dass die beteiligten Körper aus Elementen bestehen, die zusätzlich zu ihren mechanischen Freiheitsgraden noch einen thermischen Freiheitsgrad besitzen. Mit Hilfe entsprechender Kontakteinstellungen der reibungsbehafteten Kontakte zwischen Bremsbelag und –Scheibe wird dann beim Bremsen Wärme erzeugt.
Eine Berechnung mit realen Raddrehzahlen ist möglich, muss allerdings mit sehr kleinen Zeitschrittweiten gerechnet werden. Um den folglich entstehenden Berechnungsaufwand zu reduzieren, kann die Wärmeentwicklung mit Hilfe eines Faktors in den Kontakteinstellungen skaliert werden. So kann die Berechnung wesentlich handlicher gestaltet werden und liefert bereits nach kurzer Zeit ein spektakulär anzuschauendes Ergebnis:
Animation Bremsscheibe 1
Animation Bremsscheibe 2
Natürlich bietet die Fülle von Ergebnisdaten über die reine Temperaturbetrachtung hinaus noch viele weitere Analysemöglichkeiten. So kann beispielsweise die Verteilung des Kontaktdrucks zwischen Belag und Scheibe oder die kombinierte Verformung der Bremsscheibe durch mechanische (Einleitung der Bremskraft) und thermomechanische (Erhitzen des Materials) Effekte sowie die daraus resultierende Spannung gezeigt werden.
Die Bremse ist in vielerlei Hinsicht ein schönes Beispiel für multidisziplinäre Simulationen. Gerade durch stetig wechselnde Materialtemperaturen verändern sich die Eigenschaften von Scheibe, Belag und umgebenden Bauteilen kontinuierlich, was in der Simulation einen multidisziplinären Ansatz unerlässlich macht.
Zusätzlich zeigt dieses Beispiel, dass es auch mit der Ansys Workbench möglich ist, Modelle entsprechend einem gewünschten „non standard use“ anzupassen. Durch unsere langjährige Erfahrung mit Ansys APDL sehen wir eine unserer Stärken darin, die Möglichkeiten, die die Simulationssoftware bietet, vollumfänglich auszuschöpfen.
Sie haben eine Fragestellung, die auf den ersten Blick als zu komplex für eine Simulation erscheint? Kontaktieren Sie uns und wir versuchen mit Ihnen gemeinsam das Problem lösbar zu machen.