Development of a Numerically Efficient Model for the Dynamics of Revolute Clearance Joints in Adjustable Stator Cascades

The consideration of system resonances plays an important role in machine development and layout especially in case of systems with high operational velocities. Unfortunately, prediction of resonance frequencies becomes difficult if systems contain clearance joints, hence making reliable simulations using commercially available software tools nearly impossible. Within this thesis a simulation method is developed and employed which is capable of predicting the dynamical behavior of multibody systems in a reliable manner while considering friction and impacts within clearance joints. Special attention is paid to plausible and computationally efficient modeling of nonlinear contact events. The simulation methodology is experimentally validated and subsequently employed in combination with further experimental investigations to analyze the dynamical behavior of adjustable stator vane cascades. Dominant nonlinear resonances are identified, and the corresponding vibration shapes are characterized. Furthermore, the possibility of using the clearance within the joints for minimizing the resulting system resonance amplitudes is demonstrated. Bei der Entwicklung und Auslegung von Maschinen spielt insbesondere bei hochdynamisch betriebenen Systemen die Berücksichtigung von Resonanzen eine wichtige Rolle. Unglücklicherweise wird die Vorhersage solcher Resonanzfrequenzen durch im System vorhandene spielbehaftete Gelenke und Koppelstellen stark erschwert, sodass zuverlässige Simulationen mit kommerziellen Anwendungen teilweise nicht mehr möglich sind. In dieser Arbeit wird eine Simulationsmethode entwickelt und angewendet, welche das dynamische Verhalten von Mehrkörpersystemen unter Berücksichtigung von Reibung und Stößen in spielbehafteten Lagerungen zuverlässig vorhersagen kann. Besonderer Fokus wird dabei auf die physikalisch plausible und recheneffiziente Modellierung der nichtlinearen Kontaktvorgänge gelegt. Die Methodik wird experimentell validiert und anschließend zusammen mit weiteren experimentellen Untersuchungen dazu verwendet, das dynamische Verhalten verstellbarer Leitschaufelkränze zu analysieren. Dominante nichtlineare Resonanzen werden dabei identifiziert und die dazugehörigen Schwingungsformen charakterisiert. Des Weiteren wird die Möglichkeit der Nutzung des in den Gelenken vorhandenen Spiels für die Minimierung entstehender Schwingungsamplituden aufgezeigt.