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Thermoelastic analysis of contacts defined by straight or curved boundaries under dry or elastohydrodynamic lubrication conditions

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Yalpanian, Ali (2021). Thermoelastic analysis of contacts defined by straight or curved boundaries under dry or elastohydrodynamic lubrication conditions. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Improvement of the characteristics of bearings and contacts in general is a constant need of the industry. This study proposes a precise, reliable and time efficient method that, while taking into account thermoelasticity, it can also handle contact surfaces with different negative or positive asperity geometries. This goal is achieved by adding thermoelastic consideration and curved edge treatment capability to the well-known half-space semi-analytical method (SAM) developed by Hartnett (Hartnett, 1980).

To prepare a comprehensive contact simulation model, the study identifies the weaknesses of the available half-space method, which has already been proven more effective and less time consuming than FEA approaches, and targets those weaknesses. One of the weaknesses of the half-space based methods is the inability to reliably simulate the curved edges. In order to handle curved edges, first, the study defines the position of the counterbalance pressure for each position inside the contact area to eliminate the remaining shear stress at the curved freesurface. Second, it introduces a correction factor for the counterbalance pressure to eliminate the remaining normal stress on the curved free-surface.

Another important weakness of SAM is the consideration of thermoelastic effects, specifically in the presence of free-edges. To rectify this weakness, the study introduces thermoelastic influence factors to be calculated only once at the beginning of the simulation process. Similar to elastic errors imposed by free-edges, because of the half-space assumption, free-edges impose some errors for thermoelastic considerations as well. These errors come from the generated heat flux and thermoelastic normal stress at the free-surface. This study first treats straight free-edges by taking advantage of the generated heat flux at the free-surface in order to define the corresponding thermal boundary condition by applying counterbalance heat patches and introducing a thermal boundary modification factor. At the second step, the process calculates a correction factor for the applied counterbalance heat patch to account for the generated thermoelastic normal stress at the straight free-surface.

At the next step, the study considers the curved free-edges while taking into account the thermoelastic effects. Since the initial steps of the study have already treated the elastic aspects of the curved free-edges, this step focuses only on the thermoelastic aspects. To do so, first, the study calculates the position of the counterbalance heat patches and then applies the thermal boundary modification factor introduced in the previous steps to define the thermal boundary condition at the curved free-edge. Then, the study calculates a correction factor for the counterbalance heat patch to eliminate the thermoelastic normal stress generated at the curved free-surface for a specific thermal boundary condition (adiabatic boundary condition). In the final step, the study introduces a final modification for the correction factor introduced in the previous step to account for other thermal boundary conditions.

Since the proposed model is flexible enough to handle any contact with arbitrary and variable pressure profile, the study used the developed model for modeling a thermoelastic thermal elastohydrodynamic rolling contact with free-edges. Then, the study performed a comprehensive factorial analysis on the effects of the three main contact variables (Load, average velocity and viscosity grade of the employed lubricant) on the characteristic parameters of the lubricated contact (Maximum pressure, maximum temperature and minimum film thickness).

Titre traduit

Analyse thermoélastique de contacts définis par des frontières droites ou courbes sous conditions sèches ou de lubrification élastohydrodynamique

Résumé traduit

L'amélioration des caractéristiques des paliers et des contacts en général est un besoin constant de l'industrie. Cette étude propose une méthode précise, fiable et efficace qui peut traiter des surfaces de contact qui ont différentes géométries d'aspérités négatives ou positives, tout en tenant compte de la thermoélasticité. Cet objectif est atteint en ajoutant la capabilité thermoélastique et la capacité de traitement des bords courbés à la méthode semi-analytique du demi-espace (SAM) développée par Hartnett (Hartnett, 1980).

Pour préparer un modèle de simulation de contact complet, l'étude identifie les faiblesses de la méthode du demi-espace disponible, qui s'est déjà avérée plus efficace et moins longue que les approches FEA, et cible ces faiblesses. L'une des faiblesses des méthodes basées sur le demiespace est l'incapacité à simuler de manière fiable les bords courbés. Afin de traiter les bords courbés, l'étude définit, d'abord, la position de la pression d'équilibrage pour chaque position à l'intérieur de la zone de contact afin d'éliminer la contrainte cisaillement qui reste à la surface libre courbé. Deuxièmement, il introduit un facteur de correction pour la pression d'équilibrage afin d'éliminer la contrainte normale qui reste sur la surface libre courbé.

Une autre faiblesse importante de SAM est l'incapacité de prise en compte des effets thermoélastiques, en particulier, en présence des bords libres. Pour remédier à cette faiblesse, l'étude introduit des facteurs d'influence thermoélastiques à calculer une seule fois au début du processus de simulation. Semblable aux erreurs élastiques imposées par les bords libres, en raison de l'hypothèse du demi-espace, les bords libres imposent également certaines erreurs lors considération thermoélastique. Ces erreurs proviennent du débit de chaleur et de la contrainte normale thermoélastique généré à la surface libre. Cette étude traite, d'abord, les bords libres plats en tirant parti du débit de chaleur généré à la surface libre afin de définir la frontière thermique correspondante en appliquant des patchs de chaleur d'équilibrage et en introduisant un facteur de modification des frontières thermiques. À la deuxième étape, le processus calcule un facteur de correction pour le patch de chaleur d'équilibrage appliqué pour tenir compte de la contrainte normale thermoélastique générée à la surface libre plat.

A l'étape suivante, l'étude considère les bords libres courbés tout en prenant en compte les effets thermoélastiques. Depuis que les premières étapes de l'étude ont déjà traité les aspects élastiques des bords libres courbés, cette étape se concentre uniquement sur les aspects thermoélastiques. Pour ce faire, l'étude calcule, d'abord, la position des patchs de chaleur d'équilibrage, puis applique le facteur de modification de la frontière thermique introduit dans les étapes précédentes pour définir la frontière thermique au bord libre courbé. Ensuite, l'étude calcule un facteur de correction pour le patch de chaleur d'équilibrage afin d'éliminer la contrainte normale thermoélastique générée à la surface libre courbé pour une frontière thermique spécifique (frontière thermique adiabatique). Dans l'étape finale, l'étude introduit une dernière modification du facteur de correction introduit à l'étape précédente pour tenir compte d'autres frontières thermiques.

Étant donné que le modèle proposé est suffisamment flexible pour gérer tout contact avec un profil de pression arbitraire et variable, l'étude a utilisé le modèle développé pour modéliser un contact de roulement thermoélastique thermique élastohydrodynamique avec des bords libres. Ensuite, l'étude a effectué une analyse factorielle complète sur les effets des trois principales variables de contact (Charge, vitesse moyenne et grade de viscosité du lubrifiant utilisé) sur les paramètres caractéristiques du contact lubrifié (Pression maximale, température maximale et épaisseur minimale du film de lubrifiant).

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 169-179).
Mots-clés libres: mécanique de contact, déplacement thermoélastique, méthode demi-analytique, lubrification élasthydrodynamique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Guilbault, Raynald
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 17 janv. 2022 18:37
Dernière modification: 17 janv. 2022 18:37
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2839

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