4. seminář ÚK /22. FSI VUT v Brně Ústav konstruování. Michal Vaverka října.

Transkript

1 4. seminář ÚK 2008 Numerické metody řešení problémů EHD mazání FSI VUT v Brně Ústav konstruování Michal Vaverka tb / vaverka@fme.vutbr.cz 17.října /22

2 Osnova Experimentální metody studia EHD mazání Numerické metody studia EHD mazání Vlastní řešení současný stav Výuková laboratoř ÚK 2/22

3 Elastohydrodynamické mazání Styk nekonformních povrchů (ozubená kola, vačky, valivá ložiska) Povrchy odděleny vrstvou maziva, tenký mazací film Velikost elastické deformace srovnatelná s výškou povrchových nerovností Vysoké V zatížení í v kontaktu kt Tlakově - viskózní chování maziva 3/22

4 Cíl práce Cílem práce je další rozvoj stávajícího íh numerického řešiče pro simulaci EHD mazání (L. Urbanec) založeného na kombinaci užití vícesíťového iteračního schématu pro řešení Reynoldsovy rovnice a vícesíťové vícenásobné numerické integrace pro řešeníš í integrálu elastických deformací a jeho využití pro simulaci mazání hladkých a nehladkých povrchů včetně rozšíření na nestacionární jevy a jeho využití jako podpory pro experimentální výzkum EHD mazání a srovnání výsledků zexperimentu. 4/22

5 Experimentální metody studia EHD mazání Tloušťka mazacího filmu: Analýza interferogramů (interferometrie) I. Křupka, M. Hartl Analýza spektrální (spektroskopická reflektometrie (viz. V. Čudek), ROII, metoda posunutí píku) Analýza pomocí el. odporu (LC oscilátor) - Höhn et al. Teplota: uk.fme.vutbr.cz Pyrometry, termovizní kamera Nakahara et al. Odporové měření Miyata et al. Nakahara: Influence of temperature t distributions in EHL film on its thickness under high slip ratio conditions 5/22

6 Experimentální metody studia EHD mazání Kontaktní tlak mazaný kontakt: Ramanova microspektrometrie Coulon et al. Infračervená spektroscopie LaPlantetal. Měření pomocí odporových sensorů Höhn et al. Coulon, S., et al.: Pressure profiles measured within lubricated contacts in presence of dented surfaces. Comparison with numerical models. Höhn, B.R.et al.:influence of surface roughness on pressure distribution and film thickness in EHL-contacts. 6/22

7 Experimentální metody studia EHD mazání Kontaktní tlak suchý kontakt: Měření deformace křemíkové vrstvy Cann and Spikes Měření pomocí ultrazvuku Pau et al. Měření změny odrazivosti stykových ploch Diaconescu et al Měření založené na termoelastickém nebo fotoelastickém jevu - Brustenga et al. Filmy citlivé na tlak Fujifilm Cann, P.M., Spikes, H.A., Measurement of pressure distribution in EHL-Development of Method and application to dry static contacts. Pau, M., Aymerich, F., Ginesu, F., Distribution of contact pressure in wheel-rail contact area 7/22

8 Numerické metody studia EHD mazání Metoda sítí - diferenční metoda (FDM) L. Čermák Vícesíťová metoda + multilevel integrace C.H Venner, A. A. Lubrecht, L. Urbanec Využití konvolučních algoritmů nebo FFT pro výpočet tlaku z tloušťky Molimard et al. CFD(počítačovádynamikatekutin)- T. Almqvist, R. Larsson Larsson, P.O. et al.: Pressure fluctuations as grease soaps pass through an EHL contact. Molimard J.: Calculation of pressure distribution in EHD point contacts from experimentally determinated film thickness 8/22

9 CFD CFD (počítačová dynamika tekutin) nástroj na řešení soustav PDR, využívající počítače k simulacím chování systémů, které zahrnuje proudění tekutin přenos tepla a jiné související procesy Je založena na řešení rovnic mechaniky tekutin (Navier Stokesovy rovnice + rovnice kontinuiity atd.) v diskretizované výpočtové oblasti se specifikovanými okrajovými, resp. počátečními podmínkami -metoda sítí (FDM) metoda konečných objemů (FVM) -metoda konečných prvků (FEM) - Komplexní řešení včetně turbulentního proudění, kavitace atd. - Náchylné na chyby (falešná numerická difuze) - Ladění modelu na základě experimentu Almqvist: The Navier Stokes approach for thermal EHL line contact solutions Příklad aplikace CFD 9/22

10 Popis problému Reyoldsova rovnice: 3 3 ρ h p ρ h p ( h) ( h) u ρ + ρ m = 0 x 12η x y 12η y x t Tloušťka mazacího filmu: Integrál elastických deformací: h ( x, y ) = g ( x, y) + uxy (, ) h 0 u = 2 pdx1dy1 π E r r uxy (, ) a a 2 px ( 1, y1) dxdy 1 1 π E ( x x ) + ( y y ) = r a a Tloušťka mazacího filmu n U K. P n = i, j i, jkl,, kl, k= 1 l= 1 U C P r = r, s. s Silová rovnováha: F a a = a a p( x, y ) dx dy Závislost vizkozity na tlaku (Roelands) a hustoty na tlaku (Dowson-Higginson): η( p) = η0 exp ( ln( η0) + 9,67) p p 0 z ρ( p) = ρ 8 5, , , p p Rozložení stykového tlaku případně plus rovnice vedení tepla (Kaneta et al.) 10/22

11 Numerické metody studia EHD mazání Vícesíťová metoda + multilevel integrace Přechod na (2x) hrubší síť pomocí restrikce W-cyklus (restrikce a interpolace mezi jednotlivými vrstvami, ve kterých se provádí relaxace (výpočet č tgauss-seidlovou metodou řešení soustavy lineárních algebraických rovnic s horní relaxací) Používají se bezrozměrné ě veličiny Urbanec, L: Numerická simulace elastohydrodynamicky mazaného kruhového kontaktu nehladkých povrchů 11/22

12 Výpočet tlaku s tloušťky filmu - konvoluce =0.45 Hloubka vtisku 360 nm Problémy k řešení Méně vhodné na hlubší denty Citlivé na šum ve vstupních datech s vyšším rozlišením více (filtry) Korekce indexu lomu podle tlaku Tloušťka mazacího filmu z experimentu Elastické deformace povrchu U Inverze matice poddajnosti K 1 P K U náhrada Konvoluční algoritmus (Plovoucí konvoluční okno C) = P[ x, y] = CU [ C] C U pre ssure, MPa film th hickness, nm Kontaktní tlak Významné urychlení výpočtu distance, μm 12/22

13 Výpočet stykového tlaku pomocí MKP 2. Přístup: MKP Tloušťka mazacího filmu Rozložení stykového tlaku 13/22

14 Dílčí výsledky Vlastní řešič pro tzv. Poissonův problém Analýza stávajícího kódu Ing. L. Urbance, Ph.D. Rešeršní studie experimentálních a numerických metod Tvorba vlastního kódu pro simulaci EHD mazání Další rozvoj řešiče: čisté valení, nehladké povrchy nestacionární jevy, teplota 14/22

15 Výuková laboratoř Měření statického a dynamického součinitele tření na nakloněné rovině pro různé materiály a pro suchý i mazaný povrch Rovinné kluzné ložisko Mitchellova aparatura, studium HD mazání měření tlaku v klínové drážce ložiska a porovnání s analytickým řešením 15/22

16 Výuková laboratoř Polariskop pro analýzu napětí pomocí rovinné fotoelasticimetrie + srovnání s MKP na parametricky vytvořeném modelu v APDL 16/22

17 Výuková laboratoř Höpplerův vizkozimetr s padacím tělískem měření vizkozity maziva + porovnání s Ubbelohdeho a rotačním komerčním vizkozimetrem 17/22

18 Výuková laboratoř Šroubový spoj s předpětím vztah mezi předpětím, utahovacím momentem, měření deformace spojovaných součástí Aparatura pro měření torzních kmitů hřídelů a měření momentů setrvačnosti vybraných těles 18/22

19 Výuková laboratoř Kluzné ložisko mazané vzduchem Vačkový mechanismus se záznamem kinematických veličin 19/22

20 Výuková laboratoř Univerzální software a hardware pro různé typy úloh VDAS. Využití laboratoří v předmětech: ZTR ZVN 6KM 5KS Testovací stanice pro spalovací motory + benzínový jednoválcový motor s upravenou hlavou válce a s hydraulickou brzdou. 20/22

21 Laboratoře stavby strojů Ústav stavby strojů Výukové laboratoře v r.1911 na Ústavu stavby strojů 21/22

22 Děkuji za pozornost 22/22