The objective of the present study is to systematically characterize a linear viscoelastic behavior of petroleum jelly in small amplitude oscillatory shear flow fields correspondent to the rheological ground state. With this aim, using a strain-controlled rheometer, the dynamic viscoelastic properties of commercially available petroleum jelly have been measured at $37^{\circ}C$ (body temperature) over a wide range of angular frequencies at an extremely small strain amplitude of 0.1 %. In this article, the linear viscoelastic behavior was reported in detail and then explained from a structural view-point of petroleum jelly and discussed in depth with respect to the consumer's requirements. Main findings obtained from this study can be summarized as follows : (1) The storage modulus is always greater than the loss modulus over an entire range of angular frequencies studied, meaning that the linear viscoelastic behavior of petroleum jelly is dominated by an elastic nature rather than a viscous nature. (2) Petroleum jelly shows a desirable linear viscoelastic behavior with respect to the consumer's requirements because it is undesirable for the product to flow down from the skin at an initial stage upon contact with the human skin. (3) A fractional derivative model shows an excellent applicability to describe a linear viscoelastic behavior of petroleum jelly. However, this model should be used with a special caution because there exists no physical meaning for the model parameters. (4) A modified form of the Cox-Merz rule gives a good ability to predict the relationship between steady shear flow properties (nonlinear behavior) and dynamic viscoelastic properties (linear behavior) for petroleum jelly.
Using a strain-controlled rheometer [Advanced Rheometric Expansion System (ARES)], the steady shear flow properties and the dynamic viscoelastic properties of $Antiphlamine-S^{(R)}$ lotion have been measured at $20^{\circ}C$ (storage temperature) and $37^{\circ}C$ (body temperature). In this article, the temperature dependence of the linear viscoelastic behavior was firstly reported from the experimental data obtained from a temperature-sweep test. The steady shear flow behavior was secondly reported and then the effect of shear rate on this behavior was discussed in detail. In addition, several inelastic-viscoplastic flow models including a yield stress parameter were employed to make a quantitative evaluation of the steady shear flow behavior, and then the applicability of these models was examined by calculating the various material parameters. The angular frequency dependence of the linear viscoelastic behavior was nextly explained and quantitatively predicted using a fractional derivative model. Finally, the strain amplitude dependence of the dynamic viscoelastic behavior was discussed in full to elucidate a nonlinear rheological behavior in large amplitude oscillatory shear flow fields. Main findings obtained from this study can be summarized as follows : (1) The linear viscoelastic behavior is almostly independent of temperature over a temperature range of $15{\sim}40^{circ}C$. (2) The steady shear viscosity is sharply decreased as an increase in shear rate, demonstrating a pronounced Non-Newtonian shear-thinning flow behavior. (3) The shear stress tends to approach a limiting constant value as a decrease in shear rate, exhibiting an existence of a yield stress. (4) The Herschel-Bulkley, Mizrahi-Berk and Heinz-Casson models are all applicable and have an equivalent validity to quantitatively describe the steady shear flow behavior of $Antiphlamine-S^{(R)}$ lotion whereas both the Bingham and Casson models do not give a good applicability. (5) In small amplitude oscillatory shear flow fields, the storage modulus is always greater than the loss modulus over an entire range of angular frequencies tested and both moduli show a slight dependence on angular frequency. This means that the linear viscoelastic behavior of $Antiphlamine-S^{(R)}$ lotion is dominated by an elastic nature rather than a viscous feature and that a gel-like structure is present in this system. (6) In large amplitude oscillatory shear flow fields, the storage modulus shows a nonlinear strain-thinning behavior at strain amplitude range larger than 10 % while the loss modulus exhibits a weak strain-overshoot behavior up to a strain amplitude of 50 % beyond which followed by a decrease in loss modulus with an increase in strain amplitude. (7) At sufficiently large strain amplitude range (${\gamma}_0$>100 %), the loss modulus is found to be greater than the storage modulus, indicating that a viscous property becomes superior to an elastic character in large shear deformations.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.26
no.2
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pp.165-171
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2016
A prosthetic knee for above-knee (AK) amputee is categorized into passive and active type. The passive prosthetic knee is generally made by elastic material. Although AK amputee can easily walk by using passive prosthetic leg, knee joint motions are not similar to ordinary persons. The active prosthetic leg can control the knee angle owing to the actuator and microprocessor. However, the active type is not cost-effective and the stability may be lost due to the malfunction of sensors. In order to resolve these disadvantages of passive and active type, a semi-active prosthetic knee which can control the knee angle is proposed in this work. The proposed semi-active one requires a less input energy but provides active type performance. In order to achieve this goal, in this work, a semi-active prosthetic knee using magneto-rheological (MR) damper for AK amputees is designed. The MR damper can support the weight of body by using less energy than actuator of active prosthetic. It can control knee angle by inducing the magnetic field at the time of stance phase. This salient characteristic is evaluated and presented in this work.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.15
no.1
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pp.169-178
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1991
A plane-strain finite element analysis of sheet metal forming is carried out by using the rigid-plastic FEM based on the membrane theory. The sheet material is assumed to possess normal anisotropy and to obey Hill's new yield criterion and its associated flow rule. A formulation of initial guess generation for the displacement field is derived by using the nonlinear elastic FEM. A method of contact treatment is proposed in which the skew boundary condition for arbitrarily shaped tools is successively used during iteration. In order to verify the validity of the developed method, plane-strain drawing with tools in analytic expression and with arbitrarily shaped tools is analyzed and compared with the published results. The comparison shows that the present method can be effectively used in the analysis of plane-strain sheet metal forming and thus provides the basis of approximate sectional analysis of panel-like sheet forming.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.3
no.3
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pp.19-28
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1995
The explicit scheme for finite element analysis of sheet metal forming problems has been widely used for providing practical solutions since it improves the convergency problem, memory size and computational time especially for the case of complicated geometry and large element number. The explicit schemes in general use are based on the elastic-plastic modelling of material requiring large computation time. In the present work, rigid-plastic explicit finite element method is introduced for analysis of sheet metal forming processes in which plane strain normal anisotropy condition can be assumed by dividing the whole piece into sections. The explicit scheme is in good agreement with the implicit scheme for numerical analysis and experimental results of auto-body panels. The proposed rigid-plastic explicit finite element method can be used as robust and efficient computational method for prediction of defects and forming severity.
Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference
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1996.06a
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pp.97-109
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1996
In the present work computations are carried out for analysis of complicated sheet metal forming process such as forming of a rear hinge. Finite element formulation using dynamic explicit time integration scheme and step-wise combined Implicit/Explicit scheme are introduced for numerical analysis of sheet metal forming process. The rigid-plastic finite element method based on membrane elements has long been employed as a useful numerical technique for the analysis of sheet metal forming because of its time effectiveness. The explicit scheme in general use is based on the elastic-plastic modelling of material requiring large computation time. In finite element simulation of sheet metal forming processes, the robustness and stability of computation are important requirements since the computation time and convergency become major points of consideration besides the solution accuracy due to the complexity of geometry and boundary conditions. The implicit scheme employs a more reliable and rigorous scheme in considering the equilibrium at each step of deformation, while in the explicit scheme the problem of convergency is eliminated at the cost of solution accuracy. The explicit approach and the implicit approach have merits and demerits, respectively. In order to combine the merits of these two methods a step-wise combined implicit/explicit scheme has been developed.
The static tensile tests of GFRP, ID300, CFRID300 and CFRPEEK were made on the plain and notched specimens at room temperature. The results were discussed based on linear notch mechanics which was proposed by H.Nistani. The fracture of notched GFRP, ID300, CFRID300 and CFRPEEK specimens is controlled by the elastic maximum stress, $({\sigma}_max)$, and the notch root racius,$\rho$, alone, independently of the other geometrical conditions. The relation between fracture nominal stress,$({\sigma}_max)$, and stress concentration factor, $K_t$ and a part where $({\sigma}_c)$ is nearly constant independent of $K_t$. A similar phenomenon can be seen in the fatigue tests of notched specimes under rotating bending or push-pull. The almost constant $({\sigma}_c)$ values correspond to the nearly constant apparent stress intensity factor, $K_{1pc}$ values, obtained by assuming ,$\rho$=0. This can be attributed to the existence of the stable crack. Linear notch mechanics is very useful for analyzing the static tensile fracture behavior of notched GFRP, ID300, CFRPEEK specimens.
A new method to measure residual stress in micron and nano scale films is described. In the theory it is based on Linear Elastic Fracture Mechanics. And in the techniques it depends on the combined capability of the focused ion beam (FIB) imaging system and of high-resolution digital image correlation (DIC) software. The method can be used for any film material (whether amorphous or crystalline) without thinning the substrate. In the method, a region of the film surface is highlighted and scanning electron images of that region taken before and after a long slot, depth a, is introduced using the FIB. The DIC software evaluates the displacement of the surface normal to the slot due to the stress relaxation by using features on the film surface. To minimize the influence of signal noise and rigid body movement, not a few, but all of the measure displacements are used for determining the real residual stress. The accuracy of the method has been assessed by performing measurements on a nano film of diamond like carbon (DLC) on glass substrate and on micro film of aluminum oxide thermally grown on Fecrally substrate. It is shown that the new method determines the residual stress ${\sigma}_R=-1.73$ GPa for DLC and ${\sigma}_R=-5.45$ GPa for the aluminum oxide, which agree quite well with ones measured independently.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.16
no.4
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pp.38-45
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2017
A finite element analysis-based approach which investigates the causes of the breakdown in the outer ring of the choke at hot rod rolling mill is presented. Two-dimensional drawings of the whole vertical-type mill stand are transformed into three-dimensional CAD models. Non-linear elasto-plastic deformation analysis of material at the roll gap is performed for computing roll force and torque of the work roll. Then, the reaction forces of the bearing rings together with a set of roller bearings that support the work roll are obtained by means of rigid body motion analysis. Finally, stress behaviors in the bearing rings together with a set of roller bearings that support the work roll are investigated by linear elastic analysis. Results reveal that stress at the contact area between the outer ring and roller bearing is extraordinary high when an internal gap between an external surface of the outer ring and the internal surface of the chock due to wear of the inside of the chock occurs.
Mirzaei, Manouchehr Mohammad Hosseini;Arefi, Mohammad;Loghman, Abbas
Steel and Composite Structures
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v.33
no.3
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pp.463-472
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2019
Initial thermo-elastic and steady state creep deformation of a rotating functionally graded simple blade is studied using first-order shear deformation theory. A variable thickness model for cantilever beam has been considered. The blade geometry and loading are defined as functions of length so that one can define his own blade profile and loading using any arbitrary function. The blade is subjected to a transverse distributed load, an inertia body force due to rotation and a distributed temperature field due to a thermal gradient between the tip and the root. All mechanical and thermal properties except Poisson's ratio are assumed to be longitudinally variable based on the volume fraction of reinforcement. The creep behaviour is modelled by Norton's law. Considering creep strains in stress strain relation, Prandtl-Reuss relations, Norton' law and effective stress relation differential equation in term of effective creep strain is established. This differential equation is solved numerically. By effective creep strain, steady state stresses and deflections are obtained. It is concluded that reinforcement particle size and form of distribution of reinforcement has significant effect on the steady state creep behavior of the blade.
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