Kondensation und Freiheitsgrad-Reduktion für thermoelastische Modelle von Gestellstruktaurbauteilen an Werkzeugmaschinen

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Thermoelastische Verformungen von spanenden Werkzeugmaschinen (WZM) verursachen einen bedeutenden Teil des Bearbeitungsfehlers am Werkstück. Die Berechnung dieser Verformungen im Entwicklungsprozess von WZM ist daher von großer Bedeutung. Können während der Maschinenentwicklung entstandene Modelle auch für steuerungsintegrierte Korrekturen thermischer Verformungen verwendet werden, so wird eine Durchgängigkeit von Entwicklungsprozess und Betrieb erreicht. Die Methode der Finiten Elemente (FEM) ist ein für strukturmechanische und thermoelastische Berechnungen an WZM etabliertes und gut in den CAD-Prozess eingebettetes Werkzeug. Bei thermoelastischen FE-Modellierungen großer Strukturen entstehen allerdings erstens große Modelle mit vielen tausend Freiheitsgraden und damit große Rechenzeiten. Große Relativbewegungen der Maschinenbaugruppen untereinander erfordern zweitens veränderliche Koppelbedingungen, die in der FEM nur aufwändig und unübersichtlich modellierbar sind. Der Export von koppelbaren, reduzierten, auf notwendige Koordinaten kondensierten thermoelastischen FE-Modellen von WZM-Gestellbaugruppen in eine Simulationsumgebung, in der nichtlineare Koppel- und Wärmeübergangsbedingungen einfach hinzufügbar sind, würde beide Probleme beheben. Ähnlich wie bei der modalen Reduktion der die Strukturdynamik beschreibenden, aus FE-Modellierungen entstehenden schwach gedämpften DGL-Systeme ist prinzipiell auch für thermoelastische und damit stark gedämpfte Problemstellungen eine Modellordnungsreduktion und Kondensation möglich. Allerdings sind solche Verfahren bisher vor allem im Bereich der elektro-thermischen Simulation von Mikrosystemen und Schaltkreisen unter den dort vorliegenden Struktureigenschaften und Randbedingungen erprobt worden.Das Projekt möchte daher thermoelastische FE-Modelle von WZM-Gestellbaugruppen durch Anwendung von mathematischen Methoden zur Modellordnungsreduktion vereinfachen und auf notwendige Koordinaten kondensieren, so dass in thermischer Echtzeit simulierbare thermoelastische Modelle mit nach wie vor enthaltenem Strukturbezug entstehen, die zudem untereinander koppelbar sind. Das Projekt untersucht und modifiziert daher im Antragszeitraum am Beispiel eines Maschinenständers und eines Spindelstocks sowohl bekannte als auch zu entwickelnde mathematische Methoden der Ordnungsreduktion und Kondensation und gewinnt Aussagen zur erreichbaren Abbildungsgenauigkeit des transienten und des Beharrungsverhaltens. Erste Arbeiten zur Kopplung der reduzierten Modelle sind am Ende des Antragszeitraumes geplant. An den Antragszeitraum anschließend sind vertiefte Untersuchungen zur Verknüpfung reduzierter und kondensierter thermoelastischer Modelle von WZM-Baugruppen zu einer „virtuellen WZM“ und mit diesem Modell die Transformation der thermisch bedingten Reaktionen in einen Fehlervektor am TCP geplant. Entsprechend der Spezifik des Projekts wird die Arbeitsgruppe des Antragstellers von Mathematikern der Professur Numerische Analysis der TU Dresden unterstützt.