Made available in DSpace on 2014-10-09T12:55:17Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:05:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 12938.pdf: 9953963 bytes, checksum: abe25b7224002370db20a3af3b1f2044 (MD5) / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Escola Politecnica, Universidade de Sao Paulo - POLI/USP

La température et la pression sont deux paramètres particulièrement importants pour l’optimisation des performances du régime de lubrification élastohydrodynamique (EHL). A ce jour, différentes méthodes expérimentales ont été développées, avec plus ou moins du succès, pour la mesure de ces deux paramètres. Ce travail présente, en continuité de ces approches, des investigations visant à développer une nouvelle technique in situ permettant de mesurer localement ces deux grandeurs dans les contacts élastohydrodynamiques (EHD). Cette technique exploite la sensibilité en photoluminescence (PL) des boîtes quantiques (ou en anglais « quantum dots (QDs)) de CdSe/CdS/ZnS aux variations de température et de pression. A cet égard, des calibrations ont été réalisées afin d’évaluer la sensibilité de ces QDs aux deux paramètres. De plus, la versatilité de ces QDs comme nanosondes a été examinée en testant deux lubrifiants différents : le squalane et un mélange de squalane et de cyclopentane. Des mesures ont été également effectuées sous conditions dynamiques afin d’étudier (i) l’influence de la présence des QDs sur la rhéologie du lubrifiant et (ii) l’influence du taux de cisaillement sur la PL des QDs. Bien que ces différents tests aient prouvé le potentiel des QDs de CdSe/CdS/ZnS, ils ont révélé l’existence d’autres paramètres qui peuvent, tout comme la température et la pression, en modifier la réponse. L’étude a été menée afin d’approfondir la compréhension des mécanismes responsables de tels effets. Plus important encore, une méthodologie a été définie pour minimiser ces effets indésirables, et pour in fine, permettre l’usage de ces QDs en tant que nanosondes fiables. / Temperature and pressure are two relevant parameters for the optimization of lubrication performance in the elastohydrodynamic lubrication (EHL) regime. To date, various experimental methods have been developed to measure these two parameters with more or less success. In a continuation of these efforts, some investigations are presented in the current work in view of developing a new in situ technique allowing for local measurements of these two parameters throughout elastohydrodynamic (EHD) contacts. This technique exploits the photoluminescence (PL) sensitivity of CdSe/CdS/ZnS quantum dots (QDs) to changes in temperature and pressure. In this respect, calibrations have been carried out in order to establish the sensitivity of these QDs to the two parameters. Moreover, the versatility of these QDs for sensing applications have been examined by testing two different lubricants, namely squalane and a mixture of squalane and cyclopentane. Some measurements were also conducted under dynamic conditions, in order to study (i) the influence of the QDs presence on the lubricant rheology and (ii) the influence of shear rate on the PL of QDs. Although these different tests demonstrated the potential of CdSe/CdS/ZnS QDs, they revealed the existence of other parameters that affect, in addition to temperature and pressure, their response. A comprehensive study was thus conducted in order to elucidate the mechanisms behind these findings. More importantly, a methodology was defined in order to minimize these undesired influences and, in fine, enable these QDs to be used as reliable nanosensors.

Nous avons étudié la dynamique de particules rigides et sphériques immergées dans un écoulement de cisaillement simple et oscillant à bas nombre de Reynolds. Les particules, au delà d’une déformation critique, se comportent de façon irréversible. La particules suivent alors un processus diffusif appelé: diffusion induite par cisaillement. Dans cette thèse, nous avons montré, par une approche numérique et expérimentale, que les collisions solides entre particules sont à l’origine de ce phénomène. Des simulations numériques ont été effectués afin d’évaluer l’importance relative des forces hydrodynamiques longues portées, des forces de lubrifications et des forces de contact. Deux expériences ont été effectuées afin de mettre en évidence l’influence des contacts solides entre particules. Nous avons étudié la dynamique de 3 particules soumises à un écoulement de cisaillement périodique. Les trajectoires des particules sont irréversibles durant le premier cycle et réversible pour les cycles suivants. En montrant que l’amplitude de l’irréversibilité est corrélée à la rugosité des particules, nous fournissons une preuve évidente que des collisions solides entre particules ont bien lieu et que ces collisions influencent la dynamique des particules. Effectuée dans une suspension homogène, le rôle des contacts a aussi été mis en évidence en montrant que l’amplitude critique de déformation dépend de la rugosité des particules. Un modèle géométrique simple qui considère des `particules effectives’ ayant un volume dépendant de l’amplitude de déformation et de la rugosité des particules, nous a permis de quantitativement reproduire les mesures expérimentales. / Even at low Reynolds number, particles within a shear flow exhibit irreversible dynamics. Many theories have been put forth to explain this phenomenon, the origin of irreversibility remains unclear. An integrated program of experimental and computational studies has been performed to assess the origin of the irreversible behavior of particles. Numerical simulations were used to evaluated the relative importance of long-range hydrodynamic interactions, lubrication, and contact forces. By isolating contribution of these interactions, we have shown that neither the long-range hydrodynamic interactions nor the lubrication are responsible for irreversibility. Solid contacts between particles largely dominate this phenomenon. However, producing realistic results requires both contact interactions and lubrication. Two different experiments were performed to address the role of contacts between particles in sheared suspensions. In the first experiment, the particle trajectories are irreversible during the first cycle but reversible for the next cycles. By showing that the magnitude of irreversibility increases with the particle roughness, we provide direct evidence that contacts occur in viscous flow. Experimental particle trajectories are well captured by the numerical model. In the second experiment, performed in a homogeneous suspension, the role of solid collisions was also revealed by showing that the critical strain amplitude depends on the particle roughness. A geometrical model based on the assumption that colliding particles produce irreversibility was derived. The model successfully reproduces the measured values of the critical strain amplitude.

Orientador: Katia Lucchesi Cavalca / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-14T16:47:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Nonato_Fabio_M.pdf: 2576321 bytes, checksum: 620be5d1e8be22816a88e01fd2596425 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Com a necessidade da diminuição do tempo de projeto, a utilização de modelos computacionais para simulação de componentes mecânicos se torna rota obrigatória para se evitar excessivos testes físicos. Com base nesta premissa, se torna necessário estudar a dinâmica de componentes anteriormente considerados rígidos, como mancais de elementos rolantes, e assim conhecer sua influência sobre o sistema completo. Assim, utilizando um modelo por diferenças finitas em múltiplos níveis, foi avaliada a condição de lubrificação no contato em rolamentos sujeitos a lubrificação Elastohidrodinâmica (EHD) transiente. Desta forma foi possível caracterizar dinamicamente o contato, aproximando o filme de óleo a um conjunto de mola e amortecedor não lineares. Portanto introduz-se um elo flexível ao mancal, possibilitando a sua análise dinâmica como parte do sistema. / Abstract: With the need of time reduction on mechanical projects, the use of computational models for the analysis of mechanical components becomes mandatory in order to avoid excessive physical tests. Based on this assumption, is necessary to study the dynamic of previously assumed rigid components, as the rolling elements bearings, and thus knowing its influence on the complete system. Utilizing a multi-level finite difference method, the lubrication condition on the contact in bearings under Elastohydrodynamic (EHD) transient lubrication was evaluated. Therefore the dynamic characterization of the contact was possible, adjusting the oil film to a nonlinear spring-damper set. Hence a flexible joint is introduced in the bearing, making it possible its dynamic analyses as part of the system. / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Les exigences actuelles en terme de lubrification automobile imposent des formulations extrêmement complexes. Parmi tous les additifs présents dans l’huile, on peut noter le dithiocarbamate de molybdène et le dithiophosphate de zinc, additifs à action tribologique, à base de soufre et de phosphore. Pour des raisons environnementales, il est important de diminuer nettement voire d’éliminer la présence de ces deux éléments dans les huiles. Les matériaux à base de carbone présentent des propriétés tribologiques intéressantes mais n’ont jamais été entièrement étudiés. Dans cette étude nous nous sommes intéressés aux propriétés lubrifiantes des nanotubes de carbone (NTCs). Des nanotubes multi-parois ont été dispersés dans l’huile puis les propriétés rhéologiques et tribologiques des « nanolubrifiants » ont été étudiées. Nous nous sommes intéressés à leurs propriétés tribologiques dans deux régimes de lubrification : le régime limite et le régime élastohydrodynamique. Nous nous sommes tout d’abord focalisés sur les propriétés rhéologiques du mélange huile/NTCs.Les nanotubes de carbone possèdent une tendance à s’agréger sous la forme d’un réseau de taille micrométrique ce qui résulte en une nette augmentation de viscosité de l’huile de base. Cet effet épaississant pourrait éventuellement permettre aux NTCs de remplacer une partie de l’Améliorant d’Indice de Viscosité (AVI) habituellement additionné à l’huile de base. Néanmoins, nous avons mis en évidence un effet antagoniste avec les autres additifs de lubrification, tel que le dispersant, qui pourrait être un problème pour une telle utilisation. Nous nous sommes ensuite intéressés aux propriétés des NTCs dans le régime limite de lubrification. Les NTCs présentent des propriétés réductrices de l’usure et du frottement intéressantes sous certaines conditions. Les analyses effectuées laissent supposer un rôle du catalyseur dans le mécanisme de lubrification. Les nanotubes de carbone semblent d’un grand intérêt car, ils possèdent également des propriétés tribologiques en régime élastohydrodynamique (EHD). Le mécanisme de formation des films lubrifiants a été étudié en fonction des paramètres concentrations et vitesses d’entraînement: la propagation des agrégats de NTCs à travers le contact résulte en une augmentation locale de l’épaisseur de film lubrifiant. De plus, une réduction de frottement et un décalage dans l’apparition des premières traces d’usure ont été observés à la suite d’essais tribologiques. Le mécanisme d’action des NTCs en régime de lubrification EHD est proposé dans cette partie. Cependant, les interactions entre les NTCs et les additifs présents dans les lubrifiants entièrement formulés doivent être étudiés pour optimiser la formulation de lubrifiant à base de nanotubes de carbone. / The current requirements in automotive lubrication impose extremely complex formulation. Among all the additives present in oil, one can note the presence of molybdenum dithiocarbamateand zinc dithiophosphate, both tribological additives containing sulfur and phosphorous. For environmental reasons, it is important to reduce or eliminate the presence of these two elements contained in oil. Carbon based materials are expected to present interesting tribological properties but were never really fully investigated. In this study, we are being interested on the lubricant properties of nanometric Carbon NanoTubes (CNT). Multi wall carbon nanotube MWNTs have been dispersed in oil and the behaviour of the blends has been studied in terms of rheology and tribology. We investigated their friction properties in two regims of lubrification : boundary lubrification and elastohydrodynamic (EHD) lubrification. At first, we focused in rheological properties of the blend. Carbon NanoTubes (CNT) present the tendency to aggregate to form micrometric network and this results in an increase in the blend viscosity. This thickening effect could make it possible to replace part of the ViscosityIndex Improver traditionally added to base oil. Nevertheless we reported an antagonist effect with other additives such as dispersant which may be a problem for this purpose. Then we investigated lubricant properties of CNT in boundary regim. CNTs show interesting friction reducing and anti-wear properties in some conditions. The results obtained let suppose a role of the catalyst in the lubrication mechanism. CNT are also of great interest in reason of their potential tribological properties in EHD lubrification regim. The lubricant film formation has been investigated as a function of the speed and the CNT concentration : the propagation of the CNT through the contact results in a local increase in the film thickness. Moreover, a reduction in friction and a drift in the wear onset have been observed under controlled contact kinematics. A potentiel mechanism of lubrification is explained in this last part. However, the interaction between the carbon nanotubes and the other additives present in the fully formulated lubricant need to be carrefully investigated in order to be able in the future to optimise the formulation of new carbon nanotubes based lubricants.

Ce document présente une synthèse d'une dizaine de recherches sur les garnitures mécaniques. Ce sont des composant d'étanchéité dynamique pour arbres tournants. L'interface de l'étanchéité met en jeu de nombreux phénomènes physiques qui interagissent. Une analyse de ces différents effets et interactions est proposée

Ces dernières décennies de nombreux modèles de paliers à feuilles ont été développés. Aujourd'hui, la limite de ces modèles est apparente notamment au niveau de la compréhension des comportements non linéaire du système rotor palier et de la quantification de sa dissipation énergétique. Il est essentiel pour les développements futurs de maîtriser les instabilités liées au fonctionnement de ces paliers. Grâce à une approche variationnelle et la MEF, la structure flexible a été modélisée comme une structure mince soumise à la pression d'un fluide compressible, isotherme, laminaire puis turbulent. Nous tenons compte dans cette étude, des frottements secs internes en utilisant la loi de Coulomb et la méthode du Lagrangien augmenté. Le modèle de structure est couplé avec équations de Reynolds des films minces afin de déterminer le comportement du rotor à l'aide du principe fondamental de la dynamique. Nous avons montré la pertinence de l'approche choisie, notamment l'utilisation du modèle de structure mince sur le comportement dynamique du rotor et sur le champ de pression hénéré dans le palier. On démontre aussi l'intéraction entre les déflections des bumps et le frottement sec. L'action du flambage est doublement accentué par le phénomène de frottement présent entre les feuilles, modifiant ainsi la dissipation d'énergie dans le palier. Le second objectif a été d'identifier l'origine des phénomènes subsynchrones afin de développer des nouveaux paliers en se dédouanant des instabilités qu'elles engendrent.

Ces dernières décennies de nombreux modèles de paliers à feuilles ont été développés. Aujourd'hui, la limite de ces modèles est apparente notamment au niveau de la compréhension des comportements non linéaire du système rotor palier et de la quantification de sa dissipation énergétique. Il est essentiel pour les développements futurs de maîtriser les instabilités liées au fonctionnement de ces paliers. Grâce à une approche variationnelle et la MEF, la structure flexible a été modélisée comme une structure mince soumise à la pression d'un fluide compressible, isotherme, laminaire puis turbulent. Nous tenons compte dans cette étude, des frottements secs internes en utilisant la loi de Coulomb et la méthode du Lagrangien augmenté. Le modèle de structure est couplé avec équations de Reynolds des films minces afin de déterminer le comportement du rotor à l'aide du principe fondamental de la dynamique. Nous avons montré la pertinence de l'approche choisie, notamment l'utilisation du modèle de structure mince sur le comportement dynamique du rotor et sur le champ de pression hénéré dans le palier. On démontre aussi l'intéraction entre les déflections des bumps et le frottement sec. L'action du flambage est doublement accentué par le phénomène de frottement présent entre les feuilles, modifiant ainsi la dissipation d'énergie dans le palier. Le second objectif a été d'identifier l'origine des phénomènes subsynchrones afin de développer des nouveaux paliers en se dédouanant des instabilités qu'elles engendrent. / These last decades numerous model for airfoil bearings have been developed. But nowadays, these models are not sufficiently accurate for the rotor response prediction in the presence of non linearities. It is essential for the future developments to control the instabilities due to the non linear behavior in order to quantify the energy dissipation in the bearings. By means of a variational approach, the flexible structure is modeled as a thin media subjected to a compressible fluid pressure, isothermal and in a laminar then turbulent regime. The model is built up using FEM for the foils response. the internal dry friction is taken into account with Coulomb’s law and the updated Lagrangian method. The structure model is coupled with Reynolds equation to calculate the rotor motions, thanks to the basic principle of dynamics (B.P.D). This work is performed, first, to put in evidence the influence of thin structure approach on the rotor behavior and on the field pressure. The link between bumps deflections and dry friction is established. The structure buckling is twice increased by the phenomenon of friction between sheets and energy dissipation. The second objective is to identify the subsynchronous frequencies in order to establish the relevance of the new airfoil model for non linear and instabilities investigations.

Ce travail se consacre à la simulation numérique tridimensionnelle de suspensions denses, monodispersés, non-inertielles et non-colloïdales. Nous avons pour ce faire développé une méthode numérique basée sur une approche de type domaine fictif. Le modèle inclut également une modélisation détaillée des forces de lubrification ainsi que des forces de contact avec prise en compte des rugosités et du frottement. Un résultat majeur est le rôle important du frottement entre particules sur la rhéologie de la suspension – en particulier sur la viscosité de cisaillement et les contraintes normales – mais aussi sur la viscosité normale ou la diffusion des particules. Le frottement contribue à augmenter fortement la contrainte de contact alors que la contrainte hydrodynamique n’est quasiment pas affectée. Cette contrainte de contact s’avère être la contrainte majoritaire dans les suspensions denses. La prise en compte du frottement dans les simulations permet de se rapprocher notablement des résultats expérimentaux. Le rôle du confinement est également étudié et les parois s’avèrent conduire à une organisation locale marquée de type hexagonal ainsi qu’à un glissement. Cette organisation entraîne des effets sensibles sur les propriétés rhéologiques surtout pour la première différence de contraintes normales N1 qui peut localement devenir positive. Enfin, nous abordons l’impact d’amas percolants de particules dans la suspension. La fraction volumique de percolation se situe entre 0,3 et 0,4 avec un effet marqué de la rugosité, du frottement et de la taille du domaine. / This work is devoted to three-dimensional numerical simulations of monodisperse non-inertial non-colloidal concentrated suspensions. To this end, a numerical method based on a fictitious domain technique is developed. It includes a detailed lubrication model as well as a contact model allowing for particle roughness and friction. One major result is the strong effect of friction on rheology, especially on shear viscosity and normal stresses. It also alters markedly normal viscosity or particle diffusion. Friction acts mostly through an increase in the contact stress since the hydrodynamic stress remains unaffected. This contact stress occurs to be the prevailing stress in dense suspensions. Overall, frictional results are in much better agreement with available experiments. The role of confinement is investigated as well and walls are shown to induce a strong local hexagonal ordering with a significant wall slip. This wall-induced ordering has a notable effect on rheology, especially on the first normal stress difference N1 that can be locally positive. Finally, we have studied the percolation of particle clusters across the suspension. The critical volume fraction is found to be in the range 0.3~0.4, with a significant dependence on roughness, friction, and domain size. Percolating clusters characteristics can globally be described by an isotropic percolation theory, with discrepancies regarding some critical exponents however. The role of percolating clusters on rheology is found to be very limited.

La grande diversité des applications, dans tous les domaines industriels, des plus simples aux plus complexes, que ce soit pour un usage quotidienne ou pour des applications high-tech, nécessite la conception continue de systèmes d'étanchéité de plus en plus performants. Les vérins pneumatiques sont des éléments fondamentaux de l'automatisation dans des domaines industriels très variés : les dispositifs de levage, la robotique, l'aérospatial, les systèmes respiratoire, etc. Cependant, un dysfonctionnement d'étanchéité conduit à des performances plus faibles et même à des disfonctionnements. Inversement, une meilleure connaissance des phénomènes aux interfaces, permettra l’amélioration du rendement, la prolongation de la durée de vie et de la fiabilité des différentes applications pneumatiques.Ce travail de thèse est focalisé sur l'étude expérimentale et numérique des systèmes d'étanchéité par joints pneumatiques. Un banc d'essais modulable a été conçu et réalisé pour permettre l'investigation expérimentale de différents types de joints pneumatiques, pour une large gamme de conditions de fonctionnement, en termes de vitesse linéaire, pression pneumatique et solutions constructives. Il permet principalement de caractériser le frottement des joints mais aussi la visualisation des phénomènes physiques au niveau de la zone d'étanchéité et de son environnement.En parallèle, un modèle théorique ElastoHydroDynamique, incluant la prise en compte des conditions de lubrification mixte et le comportement rhéologique non-newtonien de lubrifiant (graisse) a été développé. Il est basé sur le couplage d'un logiciel de calcul non-linéaire (permettant la prise en compte du comportement mécanique hyperélastique des joints) et un modèle d'écoulement en film mince. Les comparaisons de mesures expérimentales avec les prédictions numériques ont permis de valider le modèle théorique ainsi que d'améliorer la compréhension des conditions de fonctionnement et d'alimentation de la zone d'étanchéité. / The great diversity of applications in all industrial fields, from the simplest to the most complex, whether for everyday use or for high-tech applications, requires the continuous design of increasingly efficient sealing systems. Pneumatic cylinders are fundamental elements of automation in a wide variety of industrial fields: lifting devices, robotics, aerospace, respiratory systems, etc. However, a sealing failure leads to lower performance and even malfunctions. Conversely, a better knowledge of the phenomena at the interfaces will allow the improvement of efficiency, the extension of the service life and of the reliability of the various pneumatic applications.This thesis work focuses on the experimental and numerical study of pneumatic seal systems. A modular test bench has been designed and built to allow the experimental investigation of different types of pneumatic seals, for a wide range of operating conditions, in terms of linear velocity, pneumatic pressure and constructive solutions. It mainly allows to characterize the friction of the joints but also the visualization of physical phenomena at the level of the sealing zone and its environment.In parallel, an ElastoHydroDynamic theoretical model, including the consideration of mixed lubrication conditions and the non-Newtonian rheological behaviour of lubricant (grease) has been developed. It is based on the coupling of a non-linear comercial software (allowing the modelling of the hyperelastic mechanical behaviour of the joints) and a thin film flow model. Comparisons of experimental measurements with numerical predictions validated the theoretical model and improved the understanding of the operating and supply conditions of the sealing area.