Modelo determinístico elastoplástico de contato rugoso baseado em asperezas: uma nova abordagem de identificação e aproximação de asperezas.

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Queiróz, João Carlos Fernandes de
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Asperity-based contact model; Deterministic simulations; Modelos de contato baseados em asperezas; Segmentação watershed; Simulações determinísticas; Surface topography; Topografia superficial; Tribologia; Tribology; Watershed segmentation
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3151/tde-23052024-082323/

Este trabalho investigou a mecânica do contato rugoso direcionado para simulações determinísticas baseadas em asperezas. Sua ênfase particular consiste na identificação e caracterização geométrica de asperezas para aprimorar a precisão das simulações. A modelagem de contato rugoso enfrenta desafios significativos em tribologia, dada a complexidade e diversidade de escalas das topografias superficiais. Avanços em modelagem e capacidade de processamento ainda esbarram na alta demanda computacional necessária para simulações precisas, especialmente em contextos de lubrificação mista. Modelos baseados em asperezas, embora vantajosos pelo baixo custo computacional em softwares comerciais, tendem a simplificar demais a rugosidade, comprometendo a precisão. Métodos de elementos finitos (MEF) e de contorno (MEC), por outro lado, oferecem resultados superiores, mas são limitados pela elevada exigência de recursos computacionais. Diante disso, cresce a demanda por modelos de contato rugoso que combinem eficiência computacional com resultados precisos, não apenas para aplicações de engenharia, mas também para alimentar o desenvolvimento de modelos de inteligência artificial em tribologia. Este estudo visa aprimorar modelos de contato rugoso baseados em asperezas, desenvolvendo técnicas capazes de identificar automaticamente e representar geometricamente as asperezas mais significativas para o contato de forma mais precisa do que os métodos convencionais. Além disso, busca-se garantir que o modelo de contato resultante seja computacionalmente eficiente. Para isolar e identificar as asperezas, desenvolvemos um algoritmo de segmentação morfológica baseado em técnicas de processamento de imagens digitais, utilizando a transformada Watershed. Contudo, a tendência do algoritmo Watershed em segmentar excessivamente, identificando asperezas de alta frequência espacial irrelevantes para a mecânica do contato, foi mitigada através da combinação com a transformada H-mínima. A caracterização geométrica das asperezas proposta utiliza a equação geral de um paraboloide elíptico, oferecendo vantagens sobre os métodos tradicionais de ajuste esférico e elipsoidal em termos de métricas de ajuste e na fidelidade da representação física. Para avaliar a eficácia do modelo proposto, realizamos comparações com modelos baseados em asperezas existentes, utilizando simulações numéricas de MEC para validar os resultados sobre a área real de contato, pressões e separações. Os resultados demonstraram que o modelo desenvolvido oferece uma combinação ideal de precisão e eficiência computacional, gerando simulações 100 vezes mais rápidas do que as por MEC e com curvas semelhantes de área real, pressão e separação de contato. Além disso, como investigamos os resultados de contato em conjunto com uma extensa variação da segmentação, encontramos uma faixa de valores de controle de segmentação que proporcionaram os melhores resultados de simulações de contato para as superfícies utilizadas. Isso pode fornecer uma base para a definição de um critério de segmentação eficiente para superfícies rugosas. Esses resultados evidenciam sua aplicabilidade em simulações multi-escala e no desenvolvimento de tecnologias de baixo atrito. Além disso, a pesquisa destacou a potencial aplicação do modelo em treinamento de algoritmos de aprendizado de máquina voltados para tribologia. A conclusão deste estudo sugere que a abordagem de ajuste geométrico de asperezas por paraboloides elípticos, em conjunto com técnicas avançadas de segmentação, constitui um avanço significativo para os modelos de contato rugoso baseados em asperezas.