Distribuição de pressão e condutância térmica em contatos de superfícies em junções aparafusadas

Abstract

Este trabalho analisa teoricamente e experimentalmente (utilizando-se de dados experimentais obtidos da literatura), a distribuição de pressão de contato em juntas metálicas aparafusadas, além de estudar a condutância térmica de contato de tais juntas. É sabido que quando duas placas são colocadas em contato, este contato não é perfeito e quando estas são aparafusadas o parafuso causa uma distribuição de pressão de contato entre as placas, e esta, em situações reais, não é uniforme. Três configurações diferentes foram utilizadas para as juntas aparafusadas: a primeira é composta de dois discos de alumínio, a segunda possui dois discos de aço inoxidável e a última é composta de um disco de alumínio e o outro de aço inoxidável. Os discos são aparafusados através de um furo no centro. Dois parafusos com raios de cabeça diferentes são testados. Os testes de condutância de contato foram todos feitos em ambiente de vácuo. Para cada junta aparafusada foram aplicadas cinco cargas axiais diferentes. Cada junta aparafusa testada apresentou um comportamento diferente entre si, tanto em relação às distribuições de pressão de contato quanto à condutância térmica de contato. Foram feitas comparações entre alguns modelos existentes e os dados experimentais de distribuição de pressão de contato, sendo que estes não obtiveram uma boa concordância entre si. Foi proposta uma correlação para tal distribuição tendo como base a distribuição de Weibull, uma vez que esta tem ampla utilização em áreas que vão de ciências biológicas à engenharia mecânica. Utilizando modelos de condutância térmica de contato da literatura, foi calculada a condutância para as várias juntas aparafusadas com base na distribuição de pressão de Weibull. Os valores teóricos geralmente não concordam bem com os dados experimentais de condutância térmica de contato. Acredita-se que isso seja devido ao fato de que os modelos foram desenvolvidos para pressão uniforme de contato. No caso de juntas aparafusadas, isso não ocorre. Além disso, acredita-se que desvios de planicidade das superfícies também contribuam para a não-uniformidade da pressão de contato. This work analysis theoretically and experimentally (using experimental data obtained from the literature), the contact pressure distribution in bolted metal joints, besides studying the thermal contact conductance of such joints. It is known that when two plates are put in contact, this contact is not perfect and when these are bolted the screw causes the contact pressure distribution between the plates, and this, in real situations, is not uniform. Three different configurations were used for the bolted joints: the first one is composed of two aluminum discs, the second has two stainless steel discs and the last is composed of one aluminum disc and the other of stainless steel. The discs are bolted through a hole in the middle. Two screws with different bolt head radius are tested. The contact conductance tests were all done in a void space. For each bolted joint were applied five different axial loads. Each bolted joint tested presented a different behaviour among them, as in relation to contact pressure distribution as to contact thermal conductance. There was comparison between some existent models and experimental data of contact pressure distribution, being that these did not obtain a good concordance among themselves. It was proposed a correlation for such distribution based on the Weibull distribution, since it has a broad use in areas that goes from biological science to mechanical engineering. Using contact thermal conductance models from the literature, it was calculated the conductance for several bolted joints based on the Weibull pressure distribution. The theoretical values generally do not agree with the experimental data of contact thermal conductance. It is believed that it is due to the fact that the models were developed for contact uniform pressure. In the case of bolted joints this does not happen. Moreover, it is believed that the surface flatness deviations also contribute for the non-uniformity contact pressure.