Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.20
no.2
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pp.195-204
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2017
Predicting the failure life of automated manufacturing systems can reduce overall downtime, maintenance costs, and total plant operation costs. Therefore, there is a growing interest in fatigue failure mechanisms as the safety or service life assessment of manufacturing systems becomes an important issue. In particular, fretting fatigue is caused by repeated tangential stresses that are generated by friction during small amplitude oscillatory movements or sliding between two surfaces pressed together in intimate contact. Previous studies in fretting fatigue have observed size effects related to contact width such that a critical contact width exists where there is drastic change in the fretting fatigue life. However, most of them are the two-dimensional finite element analyses based on the plane strain assumption. The purpose of this study is to investigate the contact size effects on the three-dimensional finite element model of a finite width of a flat specimen and a cylindrical pad exposed to fretting fatigue. The contact size effects were analyzed by means of the stress and strain averages at the element integration points of three-dimensional finite element model. This study shows that the fretting fatigue life of manufacturing systems can be predicted by three-dimensional finite element analysis based on SWT critical plane model.
Yaylaci, Murat;Yaylaci, Ecren Uzun;Ozdemir, Mehmet Emin;Ay, Sevil;Ozturk, Sevval
Steel and Composite Structures
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v.45
no.4
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pp.501-511
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2022
In this study, a two-dimensional model of the contact problem has been examined using the finite element method (FEM) based software ANSYS and based on the multilayer perceptron (MLP), an artificial neural network (ANN). For this purpose, a functionally graded (FG) half-infinite layer (HIL) with a crack pressed by means of two rigid blocks has been solved using FEM. Mass forces and friction are neglected in the solution. Since the problem is analyzed for the plane state, the thickness along the z-axis direction is taken as a unit. To check the accuracy of the contact problem model the results are compared with a study in the literature. In addition, ANSYS and MLP results are compared using Root Mean Square Error (RMSE) and coefficient of determination (R2), and good agreement is found. Numerical solutions are made by considering different values of external load, the width of blocks, crack depth, and material properties. The stresses on the contact surfaces between the blocks and the FG HIL are examined for these values, and the results are presented. Consequently, it is concluded that the considered non-dimensional quantities have a noteworthy influence on the contact stress distributions, and also, FEM and ANN can be efficient alternative methods to time-consuming analytical solutions if used correctly.
Deep drawing is a forming process in which a blank of sheet metal is radially drawn into a forming die by the mechanical action of a punch and converted to required shape. Deep drawing involves complex material flow conditions and force distributions. Radial drawing stresses and tangential compressive stresses are induced in flange region due to the material retention property. These compressive stresses result in wrinkling phenomenon in flange region. Normally blank holder is applied for restricting wrinkles. Tensile stresses in radial direction initiate thinning in the wall region of cup. The thinning results into cracking or fracture. The finite element method is widely applied worldwide to simulate the deep drawing process. For real-life simulations of deep drawing process an accurate numerical model, as well as an accurate description of material behavior and contact conditions, is necessary. The finite element method is a powerful tool to predict material thinning deformations before prototypes are made. The proposed innovative methodology combines two techniques for prediction and optimization of thinning in automotive sealing cover. Taguchi design of experiments and analysis of variance has been applied to analyze the influencing process parameters on Thinning. Mathematical relations have been developed to correlate input process parameters and Thinning. Optimization problem has been formulated for thinning and Genetic Algorithm has been applied for optimization. Experimental validation of results proves the applicability of newly proposed approach. The optimized component when manufactured is observed to be safe, no thinning or fracture is observed.
Kim, Kyeong-Cheol;Kim, Ho-Jong;Jung, Young-Hoon;Shin, Jong-Ho
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.19
no.2
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pp.249-263
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2017
The expansion behavior of inflatable steel pipe rockbolt shows geometric nonlinearity due to its ${\Omega}-shaped$ section. Previous studies on the anchoring behavior of inflatable steel pipe rockbolt were mainly performed using theoretical method. However, those studies oversimplified the actual behavior by assuming isotropic expansion of inflatable steel pipe rockbolt. In this study, the anchoring behavior of the inflatable steel pipe rockbolt were investigated by the numerical method considering the irregularity of pipe expansion and other influencing factors. The expansion of inflatable steel pipe rockbolt, the contact stress distribution and the change of the average contact stress and the contact area during installation were analyzed. The contact stresses were developed differently depending on the constitutive behavior of rocks. Small contact stresses occurred in steel pipes installed in elasto-plastic rock compared to steel pipes installed in elastic rock. Also, the anchoring behaviors of the inflatable steel pipe rockbolt were different according to the stiffness of the rock. The steel pipe was completely unfolded in the case of the stiffness smaller than 0.5 GPa, but it was not fully unfolded in the case of the stiffness larger than 0.5 GPa for the given analysis condition. When the steel pipe is completely unfolded, the contact stress increases as the rock stiffness increases. However, the contact stress decreases as the rock stiffness increases when the steel pipe is not fully expanded.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2006.03a
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pp.137-146
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2006
Shear wave velocity of uncemented soil can be expressed as the function of effective stresses when capillary phenomenons are negligible. However, the terms of effective stresses are divided to the direction of wave propagation and polarization because stress states are generally anisotropy. The shear wave velocities are affected by parameters and exponents that are experimentally determined. The exponents are controlled contact effects of particulate materials(sizes, shapes, and structures of particles) and the parameters are changed contact behaviors between particles, material properties of particles, and type of packing(i.e., void ratio and coordination number). In this study, consolidation tests are performed by using clay, mica and sand specimens. Shear wave velocities are measured during consolidation tests to investigate the stress-induced and inherent anisotropies through bender elements. Results show the shear wave velocities depends on the stress-induced anisotropy for round particles. Furthermore the shear wave velocity is dependent on particle alignment under the constant effective stress. This study suggests that the shear wave velocity and the shear modulus should be carefully calculated and used for the design and construction of geotechnical structures.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.9
no.3
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pp.9-17
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2000
The use of ceramic inserts in steel forging tools offers significant technical and economic advantages over other materi-als of manufacture. These potential benefits can however only be realised by optimal design of the tools so that the ceramic insert are not subjected to stresses that led to their premature failure. In this paper the data on loading of the tools is determined from a commercial forging simulation package as the contact stress distribution on the die-workpiece interface and as temperature distributions in the die. This data can be processed as load input data for a finite-element die-stress analysis. Process simulation and stress analysis are thus combined during the design and a data exchange program has been developed that enables optimal design of the dies taking into account the elastic detections generated in shrink fitting the die inserts and that caused by the stresses generated in the forging process. The stress analysis of the dies is used to determine the stress conditions on the ceramic insert by considering contact and interference effects under both mechanical and thermal loads. Simulation results have been validated as a result of experimental investigation. Laboratory tests on ceramic insert dies have verified the superior performance of the Zirconia and Silicon Nitride ceramic insert in order to prolong maintenance life.
Geosynthetic reinforced soil method in coarse-grained soils has been widely used in last decades. Two effective factors on soil-geosynthetic interaction are confining stresses and loading rate in clay. In terms of methodology, one pull-out test with four different strain rates, namely 0.75, 1.25, 1.75 and 2.25 mm/min, and three different normal stresses equal to 20, 50, and 80 kg have been performed on specimens with dimensions of 30×30×17 cm in the saturated, consolidated condition. The obtained results have demonstrated that activation of geosynthetic strength at contact surface depends on the applied stress. In addition, the increase in normal stress would increase the shear strength at contact surface between clay and geogrid. Moreover, it is concluded that the strain rate increment would increase the shear strength.
Local reinforcement in dowel type timber joints is essential to improve ductility, to increase load carrying capacity and to reduce the risk of brittle failure, especially in the case of using solid dowel. In many types of reinforcing materials available today, DVW (densified veneer wood) has been demonstrated to be the most advantages in terms of compatibility, embedding performance and ductility. Preliminary studies show that using appropriately sized DVW discs bonded into the timber interfaces may be an effective way to reinforce the connection. In this paper, non-linear 3-dimensional finite element models, incorporating orthotropic and non-linear material behaviour, have been developed to simulate structural performance of the timber joints locally reinforced by DVW discs. Different contact algorithms were applied to simulate contact conditions in the joints. The models were validated by the corresponding structural tests. Correlation between the experimental results and the finite element simulations is reasonably good. Using validated finite element models, parametric studies were undertaken to investigate effects of the DVW disc sizes and the end distances on shear stresses and normal stresses in a possible failure plane in the joint.
Seo, Jung-Won;Kwon, Seong-Tae;Lee, Dong-Heong;Kwon, Seok-Jin
Proceedings of the KSR Conference
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2011.10a
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pp.637-642
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2011
Rails are subjected to damage from rolling contact fatigue, which leads to defects such as cracks. Rolling contact fatigue damages on the surface of rail such as head check, squats are one of growing problems. Another form of rail surface damage, known as "Ballast imprint" has become apparent. This form of damage is associated with ballast particles becoming trapped between the wheel and the surface of rail. These defects are still one of the key reasons for rail maintenance and replacement. In this study, we have investigated whether the ballast imprint is an initiator of head check type cracks and effect of defect size using Finite element analysis. The FE analysis were used to investigate stresses and strains in subsurface of defects according to variation of defect size. Based on loading cycles obtained from FE analysis, fatigue analysis for each point was carried out.
The modern orthopaedics frequently uses the total hip replacement in the artificial hip joint. The wear in this joint requires a re-replacement of hip joints because it is under the severe load and friction conditions. To solve these problems the previous studies have been mainly focussed on the development of new materials. The research of new materials, however, needs much time and effort since it should be experimented for its bio-compatibility, friction, and wear characteristics. To reduce the work, in this study, the finite element analysis is applied to find new combinations of bio-materials in the total hip replacement which has the excellent contact characteristics. A non-linear FEM program MARC with 5-node axisymmetric element was used for analyzing the contact stresses between the hip joints. The computed results show that in case of acetabulum UHMWP has good characteristics, in femoral head, $Al_2O_3$, and in stem, Ti6Al4V.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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