Methodology for Modeling Non Linear Thermomechanical Response With Wear at High-Speed Interactions: Application To a Pin-Disk Configuration
Méthodologie de modélisation de la réponse thermomécanique non linéaire avec usure lors d’interactions à grande vitesse : application à une configuration pion-disque.
Résumé
Abstract An aircraft engine is a complex structure for which some components can come into contact at high speed. Modelling this behaviour is very complex, multiple physics must be considered. State-of-the-art methodologies usually account for permanent contact and thermal modelling. In this paper, a new approach is proposed and embeds various phenomena. Moreau-Jean algorithm is employed to compute the transient response of the system. Moreover, the full non linear coupling between the dynamics and the heating process is taken into account through both a semi-analytical formulation and the finite-element method. At the contact interface, heat flux is generated by dry rubbing and flows into both interacting bodies. The heat flux partition is evaluated with a coefficient that depends on the material properties of the solids in contact. The proposed method also accounts for adhesive wear through an energetic approach. This methodology is applied to an academic, yet realistic, disk connected to a rotor shaft, free to move axially and to rotate around its revolution axis. Gyroscopic effects and variation of the rotation velocity are included leading to a full non linear mechanical behaviour. The disk undergoes aerodynamic load moving it to contact with a clamped free pin. The rotor shaft and the pin are modelled as 1D elastic bodies while the rotor disk is assumed to be rigid. Through this example, the developed strategy shows its potential to compute the complete transient highly non linear response of the breaking phenomenon, in an acceptable time simulation.
Un moteur d’avion est une structure complexe dans laquelle certains composants peuvent entrer en contact à grande vitesse. La modélisation de ce comportement est particulièrement exigeante car elle requiert la prise en compte de multiples phénomènes physiques. Les méthodologies présentes dans la littérature considèrent généralement l'aspect thermique du problème et se concentrent uniquement sur la phase de contact permanent. Cet article propose une nouvelle approche intégrant divers phénomènes tels que la mécanique de contact non régulière et non linéaire, le frottement de surface, l’usure et le transfert de chaleur non linéaire. Une version non linéaire de l’algorithme de Moreau-Jean est employée pour calculer la réponse transitoire du système, permettant de capturer avec précision la dynamique de contact. Le couplage entre la dynamique et le processus thermique est assuré par une formulation semi-analytique et la méthode des éléments finis. À l’interface de contact, un flux thermique généré par le frottement à sec se diffuse dans les deux corps en interaction. La répartition de ce flux est déterminée par un coefficient de partage dépendant des propriétés des matériaux en contact. La méthode prend également en compte l'usure adhésive à l’aide d’une approche énergétique. Cette méthodologie est appliquée à un cas académique mais réaliste, dans lequel un disque est connecté à l'arbre d'un rotor, libre de se déplacer axialement et de tourner autour de son axe. Les effets gyroscopiques et la variation de vitesse de rotation sont intégrés, aboutissant à un comportement mécanique non linéaire. Le disque est soumis à une charge aérodynamique le mettant en contact avec un pion encastré-libre. L’arbre du rotor et le pion sont modélisés comme des corps élastiques 1D, tandis que le disque est supposé rigide. Cet exemple illustre le potentiel de la stratégie développée pour calculer la réponse transitoire complète et fortement non linéaire du phénomène de freinage dans un temps de simulation acceptable.
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