Contact analysis of rough metal sealing surfaces

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2020-10-19
Department
Major/Subject
Solid Mechanics
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
63
Series
Abstract
The purpose of this thesis was to study the effect of surface roughness on rough metal sealing surfaces. Surface roughness can have a significant effect on the tribological properties of mechanical components. Surface roughness can be defined and characterized by multiple methods such as using statistical surface parameters or by utilizing a fractal modelling approach. A method for creating rough surfaces with specified roughness parameters was implemented. This method was used to generate surface data used in finite element analysis to study the effect of surface roughness parameters on contact properties. Numerically computed contact areas were compared to the asperity model presented by Greenwood and Williams. Real surface data was also used in addition to generated surfaces. Surface measurement data from a butterfly valve was also imported into solid geometry for numerical structural analysis. As a result was shown that increasing roughness leads to smaller contact area, greater plastic strain and an increased contact gap. Additionally, an orifice flow model was used to approximate the leakage between a rough contact. Leakage rates obtained by the model showed that increasing contact squeezing pressure reduces the flow rate between the contact.

Syftet med denna avhandling var att studera effekten av ytgrovhet vid tätande metallytor. Ytgrovhet kan ha en signifikant effekt på de mekaniska komponenternas tribologiska egenskaper. Ytgrovhet kan definieras och kännetecknas av flera metoder såsom att använda statistiska ytparametrar eller genom att använda en fraktal modelleringsmetod. En metod för att skapa grova ytor med specificerade grovhetsparametrar implementerades. Denna metod användes för att generera ytdata som användes i finita elementanalyser för att studera effekten av olika ytjämnhetsparametrar på kontakts egenskaper. Numeriskt beräknade kontaktareor jämfördes med modellen presenterat av Greenwood och Williams. Genererade ytor samt verklig ytdata användes. Mätdata från en spjällventil importerades också till en solidmodell för numerisk strukturanalys. Resultat visade att ökande ojämnhet leder till minskad kontaktyta, ökad plastisk deformation och ett större mellanrum mellan de kontaktande ytorna. Dessutom användes en flödesmodell för att approximera läckaget i en grov kontakt. Läckagehastigheter som erhållits med denna modell visade att ökande kontakttryck minskar flödeshastigheten mellan kontakten.
Description
Supervisor
Tuhkuri, Jukka
Thesis advisor
Bergström, Tommi
Keywords
surface roughness, finite element analysis, contact mechanics, process valve
Other note
Citation