Various heat-treated and surface coating methods are used to mitigate abrasion in sliding machine parts. The most cost effective of these methods involves hard coatings such as diamond-like carbon (DLC). DLC has various advantages, including a high level of hardness, low coefficient of friction, and low wear rate. In practice, a supporting layer is generally inserted between the DLC layer and the steel substrate to improve the load carrying capacity. In this study, an indentation and sliding contact problem involving a small, hard, spherical particle and a DLC-coated steel surface is modeled and analyzed using a nonlinear finite element code, MARC, to investigate the influence of the supporting layer thickness on the coating characteristics and the related coating failure mechanisms. The results show that the amount of plastic deformation and the maximum principal stress decrease with an increase in the supporting layer thickness. However, the probability of the high tensile stress within the coating layer causing a crack is greatly increased. Therefore, in the case of DLC coating with a supporting layer, fatigue wear can be another important cause of coating layer failure, together with the generally well-known abrasive wear.
Yaylaci, Murat;Yayli, Mujgen;Yaylaci, Ecren Uzun;Olmez, Hasan;Birinci, Ahmet
Structural Engineering and Mechanics
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제78권5호
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pp.585-597
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2021
This paper presents a comparative study of analytical method, finite element method (FEM) and Multilayer Perceptron (MLP) for analysis of a contact problem. The problem consists of a functionally graded (FG) layer resting on a half plane and pressed with distributed load from the top. Firstly, analytical solution of the problem is obtained by using theory of elasticity and integral transform techniques. The problem is reduced a system of integral equation in which the contact pressure are unknown functions. The numerical solution of the integral equation was carried out with Gauss-Jacobi integration formulation. Secondly, finite element model of the problem is constituted using ANSYS software and the two-dimensional analysis of the problem is carried out. The results show that contact areas and the contact stresses obtained from FEM provide boundary conditions of the problem as well as analytical results. Thirdly, the contact problem has been extended based on the MLP. The MLP with three-layer was used to calculate the contact distances. Material properties and loading states were created by giving examples of different values were used at the training and test stages of MLP. Program code was rewritten in C++. As a result, average deviation values such as 0.375 and 1.465 was obtained for FEM and MLP respectively. The contact areas and contact stresses obtained from FEM and MLP are very close to results obtained from analytical method. Finally, this study provides evidence that there is a good agreement between three methods and the stiffness parameters has an important effect on the contact stresses and contact areas.
Yaylaci, Murat;Adiyaman, Gokhan;Oner, Erdal;Birinci, Ahmet
Computers and Concrete
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제27권3호
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pp.199-210
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2021
The aim of this paper was to examine the continuous and discontinuous contact problems between the functionally graded (FG) layer pressed with a uniformly distributed load and homogeneous half plane using an analytical method and FEM. The FG layer is made of non-homogeneous material with an isotropic stress-strain law with exponentially varying properties. It is assumed that the contact at the FG layer-half plane interface is frictionless, and only the normal tractions can be transmitted along the contacted regions. The body force of the FG layer is considered in the study. The FG layer was positioned on the homogeneous half plane without any bonds. Thus, if the external load was smaller than a certain critical value, the contact between the FG layer and half plane would be continuous. However, when the external load exceeded the critical value, there was a separation between the FG layer and half plane on the finite region, as discontinuous contact. Therefore, there have been some steps taken in this study. Firstly, an analytical solution for continuous and discontinuous contact cases of the problem has been realized using the theory of elasticity and Fourier integral transform techniques. Then, the problem modeled and two-dimensional analysis was carried out by using ANSYS package program based on FEM. Numerical results for initial separation distance and contact stress distributions between the FG layer and homogeneous half plane for continuous contact case; the start and end points of separation and contact stress distributions between the FG layer and homogeneous half plane for discontinuous contact case were provided for various dimensionless quantities including material inhomogeneity, distributed load width, the shear module ratio and load factor for both methods. The results obtained using FEM were compared with the results found using analytical formulation. It was found that the results obtained from analytical formulation were in perfect agreement with the FEM study.
In this paper, a two-layer partial interaction composite beams model considering the higher order shear deformation of sub-elements is built. Then, the governing differential equations and boundary conditions for static analysis of linear elastic higher order composite beams are formulated by means of principle of minimum potential energy. Subsequently, analytical solutions for cantilever composite beams subjected to uniform load are presented by Laplace transform technique. As a comparison, FEM for this problem is also developed, and the results of the proposed FE program are in good agreement with the analytical ones which demonstrates the reliability of the presented exact and finite element methods. Finally, parametric studies are performed to investigate the influences of parameters including rigidity of shear connectors, ratio of shear modulus and slenderness ratio, on deflections of cantilever composite beams, internal forces and stresses. It is revealed that the interfacial slip has a major effect on the deflection, the distribution of internal forces and the stresses.
PURPOSES : The piezoelectric energy road analysis technology using a three-dimensional finite element method was developed to investigate pavement behaviors when piezoelectric energy harvesters and a new polyurethane surface layer were installed in field conditions. The main purpose of this study is to predict the long-term performance of the piezoelectric energy road through the proposed analytical steps. METHODS : To predict the stresses and strains of the piezoelectric energy road, the developed energy harvesters were embedded into the polyurethane surface layer (50 mm from the top surface). The typical type of triaxial dump truck loading was applied to the top of each energy harvester. In this paper, a general purpose finite element analysis program called ABAQUS was used and it was assumed that a harvester is installed in the cross section of a typical asphalt pavement structure. RESULTS : The maximum tensile stress of the polyurethane surface layer in the initial fatigue model occurred up to 0.035 MPa in the transverse direction when the truck tire load was loaded on the top of each harvester. The maximum tensile stresses were 0.025 MPa in the intermediate fatigue model and 0.013 MPa in the final fatigue model, which were 72% and 37% lower than that of the initial stage model, respectively. CONCLUSIONS : The main critical damage locations can be estimated between the base layer and the surface layer. If the crack propagates, bottom-up cracking from the base layer is the main cracking pattern where the tensile stress is higher than in other locations. It is also considered that the possibility of cracking in the top-down direction at the edge of energy harvester is more likely to occur because the material strength of the energy harvester is much higher and plays a role in the supporting points. In terms of long-term performance, all tensile stresses in the energy harvester and polyurethane layer are less than 1% of the maximum tensile strength and the possibility of fatigue damage was very low. Since the harvester is embedded in the surface layer of the polyurethane, which has higher tensile strength and toughness, it can assure a good, long-term performance.
In recent years, various forms of indentation testing have been increasingly used to determine the material properties of specimens. This technique, particularly the nano-indentation method , has been extended to the testing of coating systems in order to calculate the individual properties of the thin coatings and the substrates. However, the interpretation of the test data to achieve this is complex and continues to be a widely studied subject. Based on the finite element method of coated surfaces indented by a Berkovich diamond tip, this paper describes methods for combining FEM and experimental indentation testing to determine coating modulus and hardness independent of substrate effects. Using this proposed methodology, testing and FEM to measure coefficients of friction of sheet steel for outer panel were studied.
The flowfield of transverse jet in a supersonic air stream subjected to shock wave turbulent boundary layer interactions is simulated numerically by Generalized Taylor Galerkin(GTG) finite element methods. Effects of turbulence are taken into account with a two-equation (k-$\varepsilon$) model with a compressibility correction. Injection pressures and slot widths are varied in the present study. Pressure, separation extents, and penetration heights are compared with experimental data. Favorable comparisons with experimental measurements are demonstrated.
PURPOSES : Nowadays, cavity phenomena occur increasingly in pavement layers of downtown areas. This leads to an increment in the number of potholes, sinkholes, and other failure on the road. A loss of earth and sand from the pavement plays a key role in the occurrence of cavities, and, hence, a structural-performance evaluation of the pavement is essential. METHODS: The structural performance was evaluated via finite-element analysis using KPRP and KICTPAVE. KPRP was developed in order to formulate a Korean pavement design guide, which is based on a mechanical-empirical pavement design guide (M-EPDG). RESULTS: Installation of the anti-freezing layer yielded a fatigue crack, permanent deformation, and international roughness index (IRI) of 13%, 0.7 cm, and 3.0 m/km, respectively, as determined from the performance analysis conducted via KPRP. These values satisfy the design standards (fatigue crack: 20%, permanent deformation: 1.3 cm, IRI: 3.5 m/km). The results of FEM, using KICTPAVE, are shown in Figures 8~12 and Tables 3~5. CONCLUSIONS: The results of the performance analysis (conducted via KPRP) satisfy the design standards, even if the thickness of the anti-freezing layer is not considered. The corresponding values (i.e., 13%, 0.7 cm, and 3.0 m/km) are obtained for all conditions under which this layer is applied. Furthermore, the stress and strain on the interlayer between the sub-grade and the anti-freezing layer decrease gradually with increasing thickness of the anti-freezing layer. In contrast, the strain on the interlayer between the sub-base and the anti-freezing layer increases gradually with this increase in thickness.
The vehicle design engineers have studied the method of applying damping materials to the vehicle bodies by computer simulations and experimental methods in order to improve the vibration and noise characteristics of the vehicles. The unconstrained layer damping, being concerned with this study, has two layers(base layer and damping layer) and proyides vibration control of the base layer through extensional damping. Generally this kind of surface damping method is effectively used in reducing structural vibration at frequencies beyond 150Hz. The most important thing is how to apply damping treatment with respect to location and size of the damping material. To solve these problems, the current experimental methods have technical limits which are cumbersome, time consuming, and expensive. This Paper proposes a method based on finite element method and it employes averaged ESE(element strain energy) percent of total of dash panel assembly for 1/1 octave band frequency range by MSC/NASTRAN. The regions of high ESE percent of total are selected as proposed location of damping treatment. The effect of damping treatment is analyzed by comparing the frequency response function of the SPCC bare Panel and the damping treated panels.
본 연구에서는 진동수에 종속된 GHM (Golla-Hughes-McTavish) 내부보조좌표를 사용하여, 3층 샌드위치보의 유한요소모델을 정식화하는 새로운 기법을 제안하였다. 내부보조좌표를 3층 샌드위치보에 사용하면, 비감쇠질량과 강성행렬의 운동방정식은 정성감쇠행렬이 포함되므로써 행렬의 요소들이 복잡하게 확장되어 진다. 따라서 이 방법은 실제의 많은 응용에 있어서 바람직하지 못한 유한요소모델의 행렬요소들의 증가에 따른 많은 단점을 갖게 된다. 따라서, 본 논문에서는 행렬요소들의 증가에 따른 여러 단점들을 제거하기 위하여, 행렬요소 감소방법을 GHM방정식과 합성된 운동방정식을 유도하는 새로운 방법을 제안한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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