CBL - Campus del Baix Llobregat

Projecte llegit

Títol: Study of a simplified friction joint for the identification of the contact stiffness

Estudiants que han llegit aquest projecte:

Director/a: ROJAS GREGORIO, JOSEP IGNASI

Departament: FIS

Títol: Study of a simplified friction joint for the identification of the contact stiffness

Data inici oferta: 01-03-2020     Data finalització oferta: 01-03-2020


Estudis d'assignació del projecte:
    GR ENG SIST AEROESP
Tipus: Individual
 
Lloc de realització: ERASMUS
 
        Supervisor/a extern: Prof. Christian Maria Firrone
        Institució/Empresa: Politécnico di Torino
        Titulació del Director/a: PhD in Machine Design
 
Paraules clau:
numerical analysis; experimental analysis; joints; turbine; turbojet; engine; contact stiffness
 
Descripció del contingut i pla d'activitats:
El objetivo del TFG es estudiar el comportamiento de las
articulaciones de una turbina de un motor turborreactor, en
diferentes situaciones de contorno (cuando están cerca de
entrar en resonancia, por ejemplo). El estudio constará de una
parte de simulación numérica (usando Ansys y Matlab) y una
parte experimental (ensayos en laboratorio).

El plan de actividades del proyecto consta de las siguientes
fases:

1. en primer lugar, se realizará una búsqueda y análisis de
documentación relevante;
2. en segundo lugar, se realizará una formación en los
equipos experimentales a utilizar y en los paquetes de
software relevantes (Ansys y Matlab); por ejemplo:
a. se empezará haciendo ejemplos/tutoriales fáciles en
Ansys para que la estudiante se familiarice con el programa y
lo entienda bien; y
b. luego, se pasará a ejemplos sobre Static analysis,
Model/Modal analysis, y Harmonic analysis que están más
relacionados con el tema a tratar en el TFG;
3. en tercer lugar, se empezará la simulación en Ansys con
una articulación simple y luego se pasará a hacer la prueba
experimental de la articulación estudiada. Lo más probable es
que los resultados obtenidos no concuerden con los de la
simulación, ya que en la simulación se habrá utilizado una
articulación simple;
4. a continuación, se realizará otra simulación con una
articulación mucho más compleja y realista, y se volverá a
hacer la prueba experimental. En este caso, los resultados
deberían parecerse más, por la mayor sofisticación del modelo
numérico; y
5. finalmente, se elaborará la memoria y la presentación
para la defensa final del TFG.
 
Overview (resum en anglès):
Turbine blades normally use mechanical joints to attach themselves to turbine disks. In this kind of joints, contact problems are very common. They are called contact problems because they occur where two localized surfaces are in contact. In these cases, peculiar behaviours with respect to the global behaviour of the structure due to high stresses and friction-related effects occur. In some cases, the specific contact behaviour can affect the global behaviour of the structure and it cannot be neglected: from the static point view possible stress intensifications can lead to failure, while from the dynamic point of view the joint may act as a constraint. Therefore, the contact might affect natural frequencies of the structure and associated normal modes. Thus, it is necessary to characterize the contact behaviour in terms of stiffness and damping associated to friction forces. To do so, usually three parameters are used: the normal contact stiffness, the tangential contact stiffness, and the friction coefficient between the surfaces.

In this project, a method to estimate the contact stiffness between two flat punches with rounded edges is investigated. To do so, numerical simulations will be performed using Ansys, using the finite element analysis (FEA) and the solution of non-linear equations since contact elements are used. As a consequence, a numerical equation solver and a solution method will be defined.

To perform a numerical simulation, the finite element is defined in Ansys using a parametric construction of the model. The model will be meshed to obtain more precise results in specific areas close to the contact, but the mesh might affect the results of the contact simulation when a preload is applied. Therefore, before obtaining contact stiffness results, a mesh validation study will be developed comparing the numerical and analytical results for normal pressure distribution of a specific geometry to select the adequate mesh that will provide robust numerical results similar to the ones obtained with the analytical formulation. Then, the stiffness of the joint characterized by a flat punch will be obtained, first applying only a normal displacement to the top surface of the flat punch to calculate an equivalent normal contact stiffness and then applying a normal and a tangential displacement in the same location to calculate an equivalent tangential contact stiffness. Attention to the results is paid if the numerical results depend on the mesh (mesh-dependency). Therefore, a way to define a contact stiffness that is mesh-independent will be provided in order to find the pattern that the local stiffness of the joint (affected by the material property and the geometry of the punch) follows along the body. In detail, it will result smaller near the contact surface because of the specific geometry of the flat punch geometry: for a given force, the relative displacements and therefore the elastic strain will be larger close to the contact surface.

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