A full-system finite element approach to elastohydrodynamic lubrication problems : application to ultra-low-viscosity fluids
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
In this thesis, a full-system finite element approach to elastohydrodynamic (EHD) lubrication problems is introduced. EHD lubrication is a full-film regime where the pressure generated in the conjunction is high enough to induce a significant elastic deformation of the contacting bodies. Hence, it involves a strong coupling between hydrodynamic and elastic effects. The non-linear system formed by the Reynolds’, linear elasticity and load balance equations is solved using a fully-coupled Newton-Raphson procedure. This approach provides outstanding convergence rates when compared with the semi-system one. A penalty method is used to handle the cavitation problem that arises at the outlet of the contact. Appropriate stabilized formulations are used to extend the solution to the case of highly loaded contacts. The resolution process is then extended to account for non-Newtonian behaviour of the lubricant and for thermal effects. The developed model is used to study the behaviour of EHD contacts lubricated with Ultra-Low-Viscosity Fluids. The use of such fluids as lubricants provides two main advantages: first, the frictional energy dissipation in the contact is reduced and second, in machines that work with a low viscosity operational fluid and a lubricant, the former can be used to fulfil both functions and thus the design and maintenance of such machines would become easier and their performance would be improved.
Abstract FR:
Cette thèse présente un modèle éléments finis avec couplage fort des problèmes de lubrification élastohydrodynamique (EHD). La lubrification EHD consiste en une séparation complète des surfaces en contact par un film complet de lubrifiant dans lequel est générée une pression suffisamment élevée pour engendrer une déformation élastique significative des surfaces. Ainsi, un couplage fort entre les effets hydrodynamiques et les effets élastiques s’établit. Le système non-linéaire formé par les équations de Reynolds, d’élasticité linéaire et d’équilibre des charges est résolu de manière couplée par une approche de type Newton-Raphson. Cette approche permet d’avoir de très bons taux de convergence par rapport à l’approche classique avec couplage faible. Le problème de frontière libre de cavitation à la sortie du contact est traité par le biais d’une méthode de pénalisation. Des formulations de stabilisation appropriées sont utilisées pour étendre la résolution à des cas de contacts fortement chargés. Ensuite, le comportement non-Newtonien du lubrifiant et les effets thermiques sont pris en compte. Le modèle développé est utilisé pour étudier l’utilisation des Fluides de Très Faible Viscosité dans les contacts EHD. L’utilisation de tels fluides en tant que lubrifiants offre deux avantages principaux: tout d’abord, la dissipation d’énergie dans le contact par frottement est réduite et ensuite, dans le cadre de machines qui opèrent avec un fluide de fonction (généralement de faible viscosité) et un lubrifiant, le premier pourrait être utilisé pour remplir les deux fonctions. Cela permettrait une conception et une maintenance plus faciles de la machine en plus d’une amélioration de ses performances.