Desenvolvimento de um Modelo de Contato de uma Superfície Idealmente Lisa Contra uma Rugosa pelo Método dos Elementos Finitos Luiz Gustavo Del Bianchi da Silva Lima Cristian Camilo Viáfara Prof. Mário Vítor Leite Prof. Dr. Roberto Martins de Souza Julho de 2008
Sumário Introdução Objetivos Descrição do modelo analítico de Greenwood e Williamson (1966) Descrição do modelo numérico Dados da simulação Resultados Conclusões Próximos passos 2
Introdução Contato macroscópico entre superfícies Contato microscópico entre superfícies Primeiras referências: Archard (1958) Greenwood e Williamson (1966) O uso de ferramentas computacionais 3
Objetivos Desenvolver um modelo para o contato entre uma superfície idealmente lisa e uma rugosa; Analisar a influência da força normal aplicada na variação de parâmetros de contato; Analisar a influência da geometria da superfície rugosa na distribuição de tensões e na tendência a ocorrer deformação plástica quando sob compressão. 4
Modelo analítico de Greenwood e Williamson (1966) Modelo tridimensional, contato entre uma superfície idealmente lisa e uma rugosa Múltiplas asperezas, distribuição de alturas aleatórias Asperezas de formato esférico próximo à região de contato Material da superfície rugosa permanece no regime elástico 5
Modelo numérico Modelo bidimensional, contato entre uma superfície idealmente lisa e uma rugosa Estado plano de deformações Uma única aspereza, com plano de simetria Região de contato com formato de calha Material da superfície rugosa permanece no regime elástico 6
Simulações do modelo numérico Avaliação da influência da força aplicada na variação de outros parâmetros: Quatro simulações, cada uma com um valor diferente de força aplicada Estudo para a geometria 1 Avaliação da influência da geometria na distribuição de tensões e deformações: Duas simulações, com o mesmo valor de força aplicada nos dois casos Estudo para as geometrias 1 e 2 (uma simulação para cada) 7
Dados da simulação geometrias e malha de EF Dimensões da geometria utilizada no modelo (em mm): h e d Β σ Geometria 1 0,19 2,41 0,05 22,75 0,024 Geometria 2 0,19 1,21 0,05 5,73 0,024 Malha de elementos finitos: 1554 elementos quadrangulares 8
Dados da simulação materiais e métodos Material: Aço AISI H13 Cargas aplicadas: Simulação para avaliação da influência da força: 10 kn, 31,62 kn, 100 kn e 316,23 kn Simulação para avaliação da influência da geometria: 150 kn Tempo de simulação: Densidade (kg/m³) 7870 Módulo de Elasticidade (GPa) 209 Coeficiente de Poisson 0,28 Tensão de Escoamento (MPa) 1470 Tensão de Ruptura (MPa) 1730 Dureza Vickers (kgf/mm²) 484 Simulação para avaliação da influência da força aplicada: 1 ms Simulação para avaliação da influência da geometria: 0,2 ms Malha de elementos finitos: 1554 elementos, maior refino na região próxima ao contato 9
Resultados Influência da força aplicada na área real de contato 10
Resultados Influência da força aplicada na pressão de contato 11
Resultados Influência da força aplicada na separação 12
Resultados Influência da geometria na distribuição de tensões Geometria 1 (Mises max: 142 Mpa) Geometria 2 (Mises max: 249 Mpa) 13
Resultados Influência da geometria na tendência a ocorrer deformação plástica Geometria 1 (Sem deformação plástica) Geometria 2 (Com deformação plástica) 14
Conclusões O aumento da força aplicada pela superfície idealmente lisa sobre a rugosa causa aumento linear no valor da área real de contato, aumento não-linear na pressão média de contato e redução linear da separação entre as superfícies. A simulação corrobora o resultado analítico obtido por Greenwood e Williamson (1966). Quanto maior a inclinação da aspereza, maior a solicitação mecânica na região sob a superfície. Quanto maior a inclinação da aspereza, maior a tendência da peça a se deformar plasticamente o que pode ser expresso numericamente na forma de um maior valor do índice de plasticidade. 15
Próximos passos Extensão do modelo bidimensional a problemas com: Mais de uma aspereza Diferentes geometrias de aspereza Variação do material da superfície rugosa Geração de um modelo tridimensional com asperezas de alturas diferentes 16