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On the Numerics of Electrical Phenomena in Thermo-Elasto-Hydrodynamic Rolling Contacts

Neu, Marcel (2022):
On the Numerics of Electrical Phenomena in Thermo-Elasto-Hydrodynamic Rolling Contacts. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00021647,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: On the Numerics of Electrical Phenomena in Thermo-Elasto-Hydrodynamic Rolling Contacts
Language: English
Abstract:

This work presents the methodological development of a simulation toolbox intended for the Fluid-Structure Interaction calculations of rolling bearings contacts, combined with electrostatic fields. A numerical analysis of the Thermal Elastohydrodynamic Lubrication in electrically burdened rolling bearing contacts becomes possible through the presented implementations. The differential equations, models, and coupling mechanisms necessary for such calculations are extracted from the literature in this work’s fundamentals. Based on the Fluid-Structure Interaction extension of foamExtend 4.0, a program architecture is created to represent the theoretical framework. Each new implementation is verified and validated against established numerical or analytical tests following the Test-Driven Development practice. Since no reference calculation or experimental data for electrical phenomena in isolated Thermal Elastohydrodynamic Lubrication contacts is available at the point of submission, a data set suited for the final validation is acquired experimentally. The experimental setup used for the data acquisition and the processed data itself is also part of this work. A two-dimensional numerical case for reference calculations is introduced to compare the experimental results. Necessary discretization- and solution procedures are chosen based on common standards for numerical computations. However, a validation of the calculation procedure against the experimental data failed due to problems that arose by transferring the Fluid-Structure Interaction calculation to the Elastohydrodynamic Lubrication scale. The radial bearing loads used during the experiments are, as of now, not calculable with the proposed numerical setup. Reasons for this are discussed, and solutions are proposed. Although the final validation has not yet been carried out, the code was used in the performant parameter limits to interpret experimental studies. The insights gained into the electrical behaviour of imperfect surfaces and the influence of ionisation on damage mechanisms is a scientific added value. The insights gained from these calculations are discussed against the background of possible new fields of application for the toolbox since electric phenomena are now within the scope of numerical Thermal Elastohydrodynamic Lubrication calculations. Since those Thermal Elastohydrodynamic Lubrication calculations are the basis for damage analysis in rolling bearings the extension allows for the research of electric damaging mechanisms as well. Causes for the limitations are evaluated, and improvements to overcome the prevailing problems are stated. This work concludes with a discussion of research areas that are recognized as promising. The assessment of those areas is based on this work’s insights and the author’s gathered experience.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Diese Arbeit stellt die methodische Entwicklung einer Simulationsumgebung vor, die für eine Berechnung der Fluid-Struktur Interaktion von Wälzlagerkontakten in Kombination mit elektrostatischen Feldern genutzt werden kann. Durch die vorgestellten Implementierungen wird eine numerische Analyse der thermisch elasto-hydrodynamischer Schmierung in elektrisch belasteten Wälzlagerkontakten möglich. Die zur Berechnung eines solchen Systems notwendigen Differentialgleichungen, Modelle und Kopplungsmechanismen sind in den Grundlagen aus der Literatur entnommen. Basierend auf der Fluid-Struktur-Interaktions Erweiterung des Programms foamExtend 4.0 ist eine Programmarchitektur entstanden, welche die Theorie abbildet. Alle neuen Implementierungen wurden mit dem Ansatz der testgetriebenen Entwicklung anhand etablierter numerischer und analytischer Tests verifiziert und validiert. Da zum Zeitpunkt der Einreichung keine experimentellen Referenzdaten für elektrische Phänomene in isolierten thermisch elasto-hydrodynamischen Kontakten verfügbar sind, wird ein für die endgültige Validierung geeigneter Datensatz experimentell erfasst. Der für die Datenerfassung verwendete Versuchsaufbau und die verarbeiteten Daten selbst, sind ebenfalls Teil dieser Arbeit. Zum Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen wird ein zweidimensionaler numerischer Fall für Referenzrechnungen vorgestellt. Erforderliche Diskretisierungs- und Lösungsverfahren werden auf der Grundlage gängiger Standards für numerische Berechnungen gewählt. Obwohl die endgültige Validierung noch nicht erfolgt ist, wurde der Code in den performanten Parametergrenzen für die Interpretation von experimentellen Studien verwendet. Die gewonnenen Erkenntnisse über das elektrische Verhalten schadhafter Oberflächen und den Einfluss der Ionisation auf die elektrischen Schädigungsmechanismen stellen einen wissenschaftlichen Mehrwert dar. Die aus diesen Berechnungen gewonnenen Erkenntnisse werden vor dem Hintergrund möglicher neuer Anwendungsfelder für die Toolbox diskutiert, da elektrische Phänomene nun in den Anwendungsbereich numerischer thermisch-elasto-hydrodynamischen Schmierungsberechnungen fallen. Da diese Berechnungen die Grundlage für die Schadensanalyse von Wälzlagern sind ist mit der Erweiterung die Erforschung von elektrischen Schadensmechanismen ebenfalls möglich. Die Ursachen für die Einschränkungen werden bewertet, und es werden Verbesserungen zur Überwindung der vorherrschenden Probleme genannt. Die Arbeit schließt mit einer Diskussion von Forschungsgebieten, die als vielversprechend angesehen werden. Die Bewertung dieser Bereiche basiert auf den Erkenntnissen dieser Arbeit und den Erfahrungen, die der Autor während des Prozesses gesammelt hat.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 150, XLIV Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Product Development and Machine Elements (pmd)
Date Deposited: 22 Jul 2022 12:37
Last Modified: 07 Dec 2022 11:12
DOI: 10.26083/tuprints-00021647
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-216475
Referees: Kirchner, Prof. Dr. Eckhard ; Hussong, Prof. Dr. Jeanette
Date of oral examination: 22 June 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21647
PPN: 497916304
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