A critical analysis on friction force models in dynamical systems

Abstract

As sociedades atuais têm enfrentado bastantes desafios no que diz respeito à economia de recursos naturais, reciclagem e reutilização destes mesmos recursos, assim como na procura por novas fontes de energia mais sustentáveis. O contacto e movimento relativo entre as superfícies de componentes mecânicos são responsáveis pela dissipação de percentagens consideráveis de energia sob a forma de ruído, calor, entre outras, contribuindo para um desgaste acelerado e falha prematura destes mesmos componentes. A correta modelação e previsão do comportamento dinâmico de componentes e mecanismos dos mais variados tipos de máquinas e equipamentos recorrendo a ferramentas computacionais é crucial para o correto controlo do seu funcionamento e prolongamento da sua vida útil, possibilitando a economia de recursos naturais e energéticos que de outra forma seriam gastos na manufatura de componentes de substituição. Deste modo, este trabalho centra-se, principalmente, na análise crítica de modelos de força de atrito teóricos, comparando o desempenho computacional destes na previsão do comportamento dinâmico de sistemas mecânicos de complexidade crescente na presença de fenómenos dissipativos relacionados com as forças de atrito que se desenvolvem entre os diferentes tipos de contacto. Depois da análise dos conceitos fundamentais e teóricos associados aos fenómenos de atrito são analisadas as formulações dos modelos de atrito estáticos e dinâmicos para contactos secos, comummente aplicados para a simulação destes fenómenos dissipativos em problemas que se inserem no quadro da dinâmica de sistemas multicorpo. O projeto de uma bancada simples e versátil para a determinação de dados relativos a forças de atrito é apresentado com o objetivo de calibrar e prever os parâmetros numéricos associados aos diferentes modelos de atrito existentes na literatura e que melhor permitem representar as propriedades estruturais, físicas e cinemáticas de um determinado sistema mecânico. O estudo da influência dos modelos de força de atrito apresentado neste trabalho culmina na análise de um sistema multicorpo, onde é feita uma análise qualitativa e quantitativa dos efeitos destes fenómenos dissipativos no comportamento dinâmico da suspensão de um carro do tipo Formula Student.

Current societies have been facing considerable challenges regarding the management of natural resources, recycling, and the search for new and more sustainable energy sources. The contact and relative movement between the surfaces of mechanical components are responsible for the dissipation of significant amounts of energy, which is wasted in the form of noise, heat, among others, contributing to accelerated wear and premature failure of these components. Proper modeling and prediction of the dynamic behavior of components and mechanisms in various types of machines and equipment utilizing computational resources is crucial for controlling their operation and extending their lifespan, enabling the conservation of natural and energy resources that would otherwise be spent on manufacturing replacement components. Thus, this work focuses primarily on the critical analysis of theoretical friction force models, comparing their computational performance in predicting the dynamic behavior of mechanical systems of increasing complexity in the presence of dissipative phenomena related to the friction forces developed between different contact types. After analyzing the fundamental and theoretical concepts associated with friction phenomena, static and dynamic friction models for dry contacts which are commonly applied for simulating these dissipative phenomena in problems within the framework of multibody systems dynamics are examined in detail. The design of a simple and versatile experimental apparatus for determining data related to friction forces is presented with the aim of calibrating and predicting the numerical parameters associated with different friction models found in the literature, which best represent the structural, physical, and kinematic properties of a specific mechanical system. The study of the influence of friction force models presented in this work culminates in the analysis of a multibody system, where a qualitative and quantitative analysis of the effects of these dissipative phenomena on the dynamic behavior of the suspension system of a Formula Student car is carried out.