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 this paper, a three elastic body sliding contact problem is modeled to investigate more precise wear mechanisms related with the sealing surface. A 3-D finite element contact model, a small spherical elastic particle, PTFE seal and steel surface, is solved using a nonlinear finite element code MARC. The deformed seal and steel surface shapes, von-Mises and principal stress distributions are obtained for different seal sliding distances. The entrapped small particle within PTFE seal results in very high stresses on the steel surface which exceeded its yield strength and produce plastic deformation such as groove and torus. The sealing surface could also be worn down by sub-surface fatigue due to intervening small particles together with the well-known abrasive wear. Therefore the proposed contact model adopted in this paper can be applied in design of various sealing systems, and further studies are required.
This paper proposes a revised Modified Cam Clay type failure surface based on the critical state theory. In the plane of the mean effective and von Mises stresses, the original Modified Cam Clay model has an elliptic failure surface which leads the critical-state mean effective stress to be always half of the pre-consolidation mean effective stress without hardening and evolution rules. This feature does not agree with the real mechanical response of clay. In this study, the preconsolidation mean effective stress only reflects the consolidation history of the clay whereas the critical state mean effective stress only relies on the currenct void ratio of clay. Therefore, the proposed failure surface has a distorted elliptic shape without any fixed ratio between the preconsolidation and critical state mean effective stresses. Numerical simulations for various clays using failure surfaces as yield surface provide mechanical responses similar to the experimental data.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2011.02a
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pp.335-335
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2011
Instability of a thin film attached to a compliant substrate often leads to emergence of exquisite wrinkle patterns with length scales that depend on the system geometry and applied stresses. However, the patterns that are created using the current techniques in polymer surface engineering, generally have low aspect ratio of undulation amplitude to wavelength, thus, limiting their application. Here, we present a novel and effective method that enables us to create wrinkles with a desired wavelength and high aspect ratio of amplitude over wavelength as large as to 2.5:1. First, we create buckle patterns with high aspect ratio of amplitude to wavelength by deposition of an amorphous carbon film on a surface of a soft polymer poly(dimethylsiloxane) (PDMS). Amorphous carbon films are used as a protective layer in structural systems and biomedical components, due to their low friction coefficient, strong wear resistance against, and high elastic modulus and hardness. The deposited carbon layer is generally under high residual compressive stresses (~1 GPa), making it susceptible to buckle delamination on a hard substrate (e.g. silicon or glass) and to wrinkle on a flexible or soft substrate. Then, we employ glancing angle deposition (GLAD) for deposition of a high aspect ratio patterns with amorphous carbon coating on a PDMS surface. Using this method, pattern amplitudes of several nm to submicron size can be achieved by varying the carbon deposition time, allowing us to harness patterned polymers substrates for variety of application. Specifically, we demonstrate a potential application of the high aspect wrinkles for changing the surface structures with low surface energy materials of amorphous carbon coatings, increasing the water wettability.
Kim, Sung-Ho;Kim, Chae-Hwan;Oh, Hwa-Jin;Choi, Chi-Hoon;Kim, Byoung-Yoon;Youn, Jae-Ryoun
Korea-Australia Rheology Journal
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v.19
no.4
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pp.183-190
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2007
Injection molding is one of the most common operations in polymer processing. Good quality products are usually obtained and major post-processing treatment is not required. However, residual stresses which exist in plastic parts affect the final shape and mechanical properties after ejection. Residual stresses are caused by polymer melt flow, pressure distribution, non-uniform temperature field, and density distribution. Residual stresses are predicted in this study by numerical methods using commercially available softwares, $Hypermesh^{TM},\;Moldflow^{TM}\;and\;ABAQUS^{TM}$. Cavity filling, packing, and cooling stages are simulated to predict residual stress field right after ejection by assuming an isotropic elastic solid. Thermo-viscoelastic stress analysis is carried out to predict deformation and residual stress distribution after annealing of the part. Residual stresses are measured by the hole drilling method because the automotive part selected in this study has a complex shape. Residual stress distribution predicted by the thermal stress analysis is compared with the measurement results obtained by the hole drilling method. The molded specimen has residual stress distribution in tension, compression, and tension from the surface to the center of the part. Viscoelastic deformation of the part is predicted during annealing and the deformed geometry is compared with that measured by a three dimensional scanner. The viscoelastic stress analysis with a thermal cycle will enable us to predict long term behavior of the injection molded polymeric parts.
Statement of problem: Currently, there are some 20 different geometric variations in implant/abutment interface available. The geometry is important because it is one of the primary determinants of joint strength, joint stability, locational and rotational stability. Purpose: As the effects of the various implant-abutment connections and the prosthesis height variation on stress distribution are not yet examined this study is to focus on the different types of implant-abutment connection and the prosthesis height using three dimensional finite element analysis. Material and method. The models were constructed with ITI, 3i TG, Bicon, Frialit-2 fixtures and solid abutment, TG post, Bicon post, EstheticBase abutment respectively. And the super structures were constructed as mandibular second premolar shapes with 8.5 mm, 11 mm, 13.5 mm of crown height. In each model, 244 N of vertical load and 244 N of $30^{\circ}$ oblique load were placed on the central pit of an occlusal surface. von Mises stresses were recorded and compared in the crowns, abutments, fixtures. Results: 1. Under the oblique loading, von Mises stresses were larger in the crown, abutment, fixture compared to the vertical loading condition. 2. The stresses were increased proportionally to the crown height under oblique loading but showed little differences with three different crown heights under vertical loading. 3. In the crown, the highest stress areas were loading points under vertical loading, and the finish lines under oblique loading. 4. Under the oblique loading, the higher stresses were located in the fixture/abutment interface of the Bicon and Frialit-2 systems compared to the ITI and TG systems. Conclusions: The stress distribution patterns of each implant-abutment system had difference among them and adequate crown height/implant ratio was important to reduce the stresses around the implants.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.38
no.2
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pp.177-184
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2014
In this study, we investigated the variations in welding residual stresses in dissimilar metal butt weld due to width of repair welding and re-distribution behaviors resulting from similar metal welding (SMW) and mechanical loading. To this end, detailed two-dimensional axi-symmetric finite element (FE) analyses were performed considering five different repair welding widths. Based on the FE results, we first evaluated the welding residual stress distributions in repair welding. We then investigated the re-distribution behaviors of the residual stresses due to SMW and mechanical loads. It is revealed that large tensile welding residual stresses take place in the inner surface and that its distribution is affected, provided repair welding width is larger than certain value. The welding residual stresses resulting from repair welding are remarkably reduced due to SMW and mechanical loading, regardless of the width of the repair welding.
In this study, the problem of torsion of bars with open cross section surrounded by corrugated boundaries is analyzed. An approximate analytical solution is given using perturbation technique. First, the stress analysis for circular open cross-section for arbitrary opening angle is formulated and the problem is analytically solved. Second, the open cross-section with corrugated cross section is analyzed using perturbation method. First order contributions to the stresses and the torques have been added. The results have been exemplified and compared by considering special examples.
Park, Hyun-Soo;Lim, Sung-Bin;Chung, Chin-Hyung;Hong, Ki-Seok
Journal of Periodontal and Implant Science
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v.36
no.2
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pp.531-554
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2006
Oral implants must fulfill certain criteria arising from special demands of function, which include biocompatibility, adequate mechanical strength, optimum soft and hard tissue integration, and transmission of functional forces to bone within physiological limits. And one of the critical elements influencing the long-term uncompromise functioning of oral implants is load distribution at the implant- bone interface, Factors that affect the load transfer at the bone-implant interface include the type of loading, material properties of the implant and prosthesis, implant geometry, surface structure, quality and quantity of the surrounding bone, and nature of the bone-implant interface. To understand the biomechanical behavior of dental implants, validation of stress and strain measurements is required. The finite element analysis (FEA) has been applied to the dental implant field to predict stress distribution patterns in the implant-bone interface by comparison of various implant designs. This method offers the advantage of solving complex structural problems by dividing them into smaller and simpler interrelated sections by using mathematical techniques. The purpose of this study was to evaluate the stresses induced around the implants in bone using FEA, A 3D FEA computer software (SOLIDWORKS 2004, DASSO SYSTEM, France) was used for the analysis of clinical simulations. Two types (external and internal) of implants of 4.1 mm diameter, 12.0 mm length were buried in 4 types of bone modeled. Vertical and oblique forces of lOON were applied on the center of the abutment, and the values of von Mises equivalent stress at the implant-bone interface were computed. The results showed that von Mises stresses at the marginal. bone were higher under oblique load than under vertical load, and the stresses were higher at the lingual marginal bone than at the buccal marginal bone under oblique load. Under vertical and oblique load, the stress in type I, II, III bone was found to be the highest at the marginal bone and the lowest at the bone around apical portions of implant. Higher stresses occurred at the top of the crestal region and lower stresses occurred near the tip of the implant with greater thickness of the cortical shell while high stresses surrounded the fixture apex for type N. The stresses in the crestal region were higher in Model 2 than in Model 1, the stresses near the tip of the implant were higher in Model 1 than Model 2, and Model 2 showed more effective stress distribution than Model.
This study was carried out to investigate the effect of three factors(dynamic load, inflation pressure and multiple passes of the tire) on the contact pressure and the soil stresses under the tire. A series of soil bin experiment was conducted with a 6.00R14 radial-ply tire for sandy loam soil. Tire contact pressure at soil surface and soil stresses at 10cm and 20cm soil depth were measured for the three levels of dynamic load(1.17kN, 2.35kN and 3.53kN), for the three levels of tire inflation pressure(103.42kPa, 206.84kPa and 413.69kPa), and for five different number of passes(1, 2, 3, 4 and 5 pass). The following results were drawn from this study 1) As dynamic load, inflation pressure and number of passes of the tire increased, tire contact pressure at soil surface and soil stresses at 10cm and 20cm soil depth increased accordingly. Thus increased in dynamic load, inflation pressure and number of passes of the tire would increase soil compaction. 2) The effect of three different factors, or dynamic load, inflation pressure and number of passes of the tire, decreased as the soil depth increase. Consequently, it was found that the soil compaction at a shallow depth in soil is larger than that at deep place in soil. 3) The increase of dynamic load and number of passes increased soil stress exponentially, but the increase of inflation pressure increased soil stress linearly. The effect of tire inflation pressure on soil stress was relatively less than that of the dynamic load. Therefore, it was concluded that dynamic load is more important factor affecting soil compaction in comparison to the inflation pressure of tire.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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