4. seminář ÚK 2008 Numerické metody řešení problémů EHD mazání FSI VUT v Brně Ústav konstruování Michal Vaverka http://uk.fme.vutbr.cz/ tb / e-mail: vaverka@fme.vutbr.cz 17.října.2008 1/22
Osnova Experimentální metody studia EHD mazání Numerické metody studia EHD mazání Vlastní řešení současný stav Výuková laboratoř ÚK 2/22
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
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
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
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
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
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
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
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 2 2 1 1 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 1 1 1 1 Závislost vizkozity na tlaku (Roelands) a hustoty na tlaku (Dowson-Higginson): η( p) = η0 exp ( ln( η0) + 9,67) 1+ 1+ p p 0 z ρ( p) = ρ 8 5,9 10 + 1,34 0 8 5,9 10 + p p Rozložení stykového tlaku případně plus rovnice vedení tepla (Kaneta et al.) 10/22
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
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 800 800 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 700 600 500 400 300 200 700 600 500 400 300 200 film th hickness, nm Kontaktní tlak Významné urychlení výpočtu 100 100 0 0-200 -150-100 -50 0 50 100 150 200 distance, μm 12/22
Výpočet stykového tlaku pomocí MKP 2. Přístup: MKP Tloušťka mazacího filmu Rozložení stykového tlaku 13/22
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
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
Výuková laboratoř Polariskop pro analýzu napětí pomocí rovinné fotoelasticimetrie + srovnání s MKP na parametricky vytvořeném modelu v APDL 16/22
Výuková laboratoř Höpplerův vizkozimetr s padacím tělískem měření vizkozity maziva + porovnání s Ubbelohdeho a rotačním komerčním vizkozimetrem 17/22
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
Výuková laboratoř Kluzné ložisko mazané vzduchem Vačkový mechanismus se záznamem kinematických veličin 19/22
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
Laboratoře stavby strojů Ústav stavby strojů http://www.fme.vutbr.cz/history/ Výukové laboratoře v r.1911 na Ústavu stavby strojů 21/22
Děkuji za pozornost 22/22