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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30060
Título: | Aplicação de técnicas de otimização para o cálculo da pressão de contato em superfícies rugosas |
Título(s) alternativo(s): | Application of optimization techniques for the calculation of contact pressure on rough surfaces |
Autor(es): | Castillo, Milagros Noemi Quintana |
Orientador(es): | Luersen, Marco Antônio |
Palavras-chave: | Pressão Aspereza de superfície Otimização matemática Superfícies (Tecnologia) Mecânica do contato Simulação (Computadores) Pressure Surface roughness Mathematical optimization Surfaces (Technology) Contact mechanics Computer simulation |
Data do documento: | 29-Set-2022 |
Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
Câmpus: | Curitiba |
Citação: | CASTILLO, Milagros Noemi Quintana. Aplicação de técnicas de otimização para o cálculo da pressão de contato em superfícies rugosas. 2022. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022. |
Resumo: | O contato é um fenômeno que ocorre em vários componentes mecânicos como engrenagens, mancais de rolamentos, sistema roda-trilho de trens, para os quais a fadiga de contato é considerada uma das principais causas de falha. Por essa razão, analisar as pressões e tensões nos materiais em contato é de grande importância pois auxilia na previsão e avaliação de falhas relacionadas à superfície. Para situações reais, normalmente as pressões e tensões de contato são difíceis de serem obtidas e dependem de vários fatores como carga, propriedades dos materiais, área em contato e característica das superfícies. Todas as superfícies de componentes mecânicos são rugosas ao nível microscópico, independentemente do processo de fabricação empregado. A rugosidade da superfície afeta as características de contato como a distribuição local de pressão, as tensões na subsuperfície, a área real de contato e, consequentemente, a resistência de contato. Tais fatores afetam diretamente características como aderência, fricção, capacidade de carga, desgaste e fadiga dos componentes. Assim, um grande desafio está na determinação das distribuições de pressão e de tensões de contato na interface. Dentro desse contexto está inserida a presente pesquisa, cujo objetivo é propor, aplicar e avaliar métodos computacionais para calcular de forma eficiente a distribuição de pressão no contato entre superfícies rugosas. A formulação do problema de contato, considerado elástico, utiliza a abordagem de problema de complementaridade linear (LCP, do inglês linear complementarity problem), obtendo sua solução por diferentes técnicas de otimização: método de Lemke, programação quadrática, resolução da programação quadrática por mínimos quadrados não-negativos e o pacote Gubori. Nas simulações realizadas para os casos de contato em domínio unidimensional não ocorrem diferenças significativas entre os métodos utilizados, tanto quanto ao tempo computacional quanto aos valores das pressões e da região em contato. Já para os casos em domínio bidimensional, o método de Lemke, com uma modificação aqui proposta, apresenta vantagem com relação ao tempo computacional para obtenção da solução quando aplicado a superfícies lisas e virtuais, porém o método de resolução da programação quadrática por mínimos quadrados não-negativos se mostrou o mais rápido dentre os métodos testados quando aplicados a superfícies rugosas reais. Os resultados alcançados nas simulações, tanto para o contato onde o domínio é unidimensional quanto bidimensional, são de custo computacional baixo e são coerentes com observações de casos reais usuais, como: regiões de pressões máximas, pressões nulas em regiões sem contato, influência da rugosidade nos valores das pressões e das regiões de contato. |
Abstract: | Contact is a phenomenon that occurs in various mechanical components such as gears, rolling bearings, wheel-rail systems, for which contact fatigue is considered one of the leading causes of failure. For this reason, analyzing the pressures and stresses in the materials in contact is of great importance as it aids in predicting and evaluating surface-related failures. In real situations, contact pressures and stresses are often challenging to obtain and depend on several factors, such as load, material properties, contact area, and surface characteristics. All mechanical component surfaces are microscopically rough, regardless of the manufacturing process employed. Surface roughness affects contact characteristics such as the local pressure distribution, subsurface stresses, real contact area and, consequently, the contact strength. Such factors directly affect characteristics such as adhesion, friction, load capacity, wear and fatigue of components. Thus, a major challenge lies in determining the interface’s pressure and contact stress distributions. Within this context is inserted the present research, which objective is to propose, apply and evaluate computational methods to efficiently calculate the pressure distribution in the contact between rough surfaces. The formulation of the contact problem, considered elastic, uses the linear complementarity problem (LCP) approach, obtaining its solution by different optimization techniques: Lemke’s method, quadratic programming, solving quadratic programming by non-negative least squares and the Gubori package. In the simulations carried out in one-dimensional domain contact cases, there are no significant differences among the methods used, either in terms of computational time or in the values of pressures and contact region. For the two-dimensional domain cases, the Lemke method, with a modification proposed here, presents advantages in terms of computational time to obtain the solution when applied to smooth and virtual surfaces; however, the method of solving the quadratic programming by non-negative least squares proved to be the fastest one among the tested methods when applied to real rough surfaces. The results achieved in the simulations, both for the contact where the domain is one-dimensional or two-dimensional, are low computational cost and consistent with observations of usual real cases, such as: regions of maximum pressures, null pressures in regions without contact, influence of roughness on the values of pressures and contact regions. |
URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/30060 |
Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais |
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