Pesquisa De Rolamentos: indo à escala atômica

Pesquisa De Rolamentos: indo à escala atômica e desenvolvendo novas ligas

Este artigo fornece informações sobre as quatro principais linhas de pesquisa por meio de modelagem na SKF: aço de rolamento, mecanismos de fadiga, projeto de polímero e tribologia.

Nos últimos anos, a SKF vem expandindo seu conhecimento com métodos de simulação em escala atômica, como DFT, MD e DPD, para entender como os materiais se comportam em seus produtos. Isso permitiu e continuará a permitir que a SKF inove e lide com desafios tecnológicos cada vez maiores, assegurando que cada átomo esteja no lugar ao qual pertence.

Escalas de comprimento dos diferentes métodos de simulação utilizados no SKF, nomeadamente a teoria do funcional da densidade (DFT), dinâmica molecular (MD), dinâmica de partículas dissipativas (DPD) e o método dos elementos finitos (FEM).

Imagine se alguém pudesse se tornar tão pequeno que pudesse mergulhar em materiais sólidos e ver a estrutura dos átomos – como eles interagem, se movem e respondem quando uma força externa é aplicada e como a temperatura externa influencia suas propriedades e muda sua estrutura. Se isso fosse possível, seria possível selecionar, processar e projetar melhor os materiais usados ​​para fabricar produtos e máquinas.

No Centro de Pesquisa e Engenharia da SKF (ERC), na Holanda, a pesquisa é feita com o objetivo de mergulhar virtualmente nos materiais que compõem os produtos da SKF para obter uma melhor compreensão de seu comportamento. Isso permite que a SKF responda às solicitações dos clientes e, mais importante, desenvolva novos materiais para seus produtos que aumentem sua qualidade, durabilidade e outras propriedades específicas.

Na maioria dos casos, o uso de métodos experimentais é suficiente para obter uma compreensão suficiente de como as restrições externas podem afetar os materiais dos quais os produtos são feitos e para encontrar soluções preventivas e contrárias.

Estrutura do carboneto de vanádio (VC), incluindo cortes bidimensionais da densidade de carga. Imagem produzida com o software XCrySDen.  

No entanto, mesmo com o uso de técnicas experimentais de última geração, nem sempre é possível obter uma compreensão suficiente do efeito que certos fenômenos podem ter sobre os materiais. Além disso, em alguns casos, como com um novo material ou produto que está em fase de projeto, limitar-se ao uso de ferramentas de teste de laboratório nem sempre é eficiente em termos de tempo ou custo-benefício. É por isso que os métodos computacionais são essenciais.

Quando se trata de peças mecânicas, por exemplo, rolamentos, a maioria das questões de projeto pode ser trabalhada usando técnicas de simulação de “larga escala”, como o método de elementos finitos (FEM) amplamente utilizado.

No entanto, alguns problemas especiais vão além das capacidades desta ferramenta de modelagem e requerem tratamento com métodos alternativos de simulação mesoscópica e microscópica.

Para obter uma compreensão completa dos produtos da SKF e ser capaz de lidar com os problemas que podem ter origem em determinadas escalas de tempo e comprimento, os cientistas da SKF estão constantemente desenvolvendo seu know-how no uso e no avanço de métodos de simulação em escala múltipla. Isso significa que existem diferentes ferramentas (imagine lupas, todas com um poder de ampliação diferente) que podem ser usadas para entender fenômenos específicos que determinam o comportamento de um material em condições de aplicação. É por isso que os modelos que são aplicados na SKF variam de mecânica quântica a contínuo (fig.1).

Átomos de hidrogênio presentes na fronteira entre o ferro e um precipitado composto de vanádio e carbono. Imagem produzida com o software XCrySDen.

Quanto mais profundo se mergulha dentro do material, mais poder de cálculo e tempo são necessários para fazer simulações. Por esse motivo, um conjunto de computadores de alto desempenho com 1.536 processadores está sendo usado nas instalações da SKF.

Atualmente, existem quatro linhas principais de pesquisa para as quais métodos de meso- e microescala são usados.

Design de Aço

A primeira linha de pesquisa faz parte do projeto “MultiHy” [1], abreviação de Modelagem Multiescala de Fragilização por Hidrogênio. Este projeto é liderado por um consórcio formado por vários parceiros industriais e académicos europeus e é financiado pela União Europeia. A motivação inicial para este projeto é que há uma ampla evidência experimental [2] que apoia a ideia de que o hidrogênio diminui a vida de fadiga dos rolamentos e aços estruturais. Este efeito do hidrogênio é conhecido dentro do jargão técnico como fragilização por hidrogênio.

O principal interesse da SKF na MultiHy é ser capaz de prever como o hidrogênio se difunde para dentro e através do rolamento de aços e, mais importante, descobrir como o hidrogênio disponível pode ser retido e imobilizado para neutralizar o impacto da fragilização do hidrogênio na vida útil do rolamento.

Tais simulações sobre a mobilidade do hidrogênio e seus efeitos sobre a vida à fadiga complementam outras pesquisas em andamento que tratam de várias fontes de hidrogênio, por exemplo, ambientes úmidos e possível degradação de lubrificantes. Do ponto de vista atômico, simulações estão sendo realizadas usando um método computacional de modelagem de mecânica quântica chamado Teoria do Funcional de Densidade (DFT), que é comumente usada para investigar a estrutura eletrônica de sistemas de muitos corpos (fig. 2).

Mais especificamente, simulações estão sendo feitas para avaliar as propriedades mecânicas e a influência do hidrogênio em um novo aço experimental contendo vanádio (fig. 3), no qual o hidrogênio pode ser retido para evitar fragilização [3]. Os resultados do projeto MultiHy podem ajudar com o desenvolvimento final deste novo aço, para que ele possa ser considerado para aplicações onde a resistência ao hidrogênio é necessária.

Detalhe da parte dianteira de uma rachadura que propaga no ferro. As cores dos átomos representam a tensão atômica. Imagem produzida com o software AtomEye.

Mecanismos de fadiga A segunda linha de pesquisa visa a descrição atômica da microestrutura dos aços e sua influência no comportamento do material quando submetido à fadiga por contato rolante.

Para este projeto, o método de dinâmica molecular (MD) está sendo usado para estudar como os átomos se movem e interagem uns com os outros quando uma rachadura está iniciando e se propagando através do aço do rolamento (fig. 4). A compreensão desse fenômeno permitirá que a SKF encontre formas de aumentar a vida útil e o desempenho geral dos produtos da SKF.

Modelo de amostra utilizado para a simulação de um polímero com o método da dinâmica de partículas dissipativas (DPD). As partículas azuis escuras representam o preenchimento e as partículas roxas representam as cadeias poliméricas. Imagem produzida com o software Ovito. (Fig. 4.)

Projeto do polímero A terceira aplicação trata do estudo de materiais de borracha preenchidos usados ​​na fabricação de vedações. O objetivo geral é identificar e quantificar os fenômenos físicos que ocorrem em diferentes escalas que influenciam o comportamento de estresse-tensão quase-estático e dinâmico da borracha preenchida. Este projeto está sendo realizado pela SKF em colaboração com cientistas da Universidade de Tsinghua, na China, e da Universidade de Barcelona, ​​na Espanha.

Dinâmica de partículas dissipativas (DPD), uma ferramenta de simulação de mesoescala que permite a análise das propriedades dinâmicas de fluidos e polímeros (fig. 5) em escalas que vão além daquelas que podem ser tratadas usando MD, é usada aqui. Empregando DPD, o efeito de vários fatores, tais como a interação entre partículas de enchimento e cadeias poliméricas e as mudanças topológicas na rede polimérica no comportamento mecânico estático e dinâmico de materiais de vedação, pode ser totalmente considerado.

Tribologia

A aplicação final aborda o contato lubrificado entre duas superfícies [4], como a existente entre um elemento rolante e uma pista em um rolamento híbrido. O método usado para este trabalho também é MD. O objetivo é explicar as diferenças fundamentais de atrito e desgaste entre superfícies de aço / aço e aço / cerâmica para melhorar o desempenho dos rolamentos híbridos.

Além disso, reações químicas entre o lubrificante e as superfícies podem ser consideradas. Até agora, a modelagem revelou que há diferenças fundamentais entre os contatos aço / aço e híbridos relacionados ao atrito e ao desgaste. Mais importante, os resultados mostraram que os contatos híbridos apresentam menor atrito do que os contatos aço / aço.

AUTOR: SEBASTIÁN ECHEVERRI RESTREPO, PESQUISADOR, SKF ENGENHARIA E CENTRO DE PESQUISA (ERC), SKF B.V., NIEUWEGEIN, HOLANDA  

Referências:

[1] http://www.multihy.eu
[2] R. A. Oriani, Revisão Anual da Ciência dos Materiais 8, 327 (1978).
[3] B. Szost, R. Vegter e P. Rivera-Diaz-del Castillo, Materials & Design 43, 499 (2013).
[4] D. Savio, Fenômenos em nanoescala na lubrificação: de simulações atomísticas à sua integração em modelos contínuos, tese de doutorado, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, Karlsruher Institut für Technologie (2013). Este artículo é publicado na revista EVOLUTION na terça-feira 29 março 2016


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