Interest in remanufacturing of part has significantly increased to reduce used material and energy together. The directed energy deposition (DED) process has widely applied to remanufacturing of the part. An excessive residual stress takes place in the vicinity of the deposited region by the DED process due to rapid heating and rapid cooling (RHRC) phenomenon. The excessive residual stress decreases the reliability of the remanufactured part. Therefore, thermo-mechanical analysis for the remanufacturing of the part is needed to investigate heat transfer and residual stress characteristics in the vicinity of the deposited region. The thermo-mechanical analysis of a large volume deposition is significantly difficult to perform due to the requirement of a long computation time and a large computer memory. The goal of this paper is to investigate thermo-mechanical characteristics for remanufacturing of the ATC part using a DED process. The methodology of the thermo-mechanical analysis for a large volume deposition is proposed. From the results of analysis, heat transfer and residual stress characteristics during deposition and cooling stages are investigated. In addition, the proper deposition strategy from the viewpoint of the residual stress is discussed.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.21
no.6
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pp.50-59
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2022
The design of the substrate significantly affects the thermal history and the residual stress formation in the vicinity of a repaired region by a directed energy deposition (DED) process. The occurrence of defects in the repaired region depends on the thermal history and residual stress formation. The objective of this study was to investigate the influence of the inclined angle and depth of the substrate on the thermal and residual stress characteristics in the vicinity of a repaired region by a DED process through two-dimensional finite element analyses (FEAs). The temperature and residual stress distributions in the vicinity of the repaired region were predicted according to the combination of the inclined angle and depth of the substrate. The effects of the inclined angle and depth on the depth of the heat affected zone and the maximum value of the residual stress were examined. A proper combination of the inclined angle and depth of the substrate was estimated to decrease the residual stress in the vicinity of the repaired region.
Recently, there has been an increased interest in the remanufacturing of mechanical parts using metal additive manufacturing processes in regards to resource recycling and carbon neutrality. DED (directed energy deposition) process can create desired metallic shapes on both even and uneven substrate via line-by-line deposition. Hence, DED process is very useful for the repair, retrofit and remanufacturing of mechanical parts with irregular damages. The objective of the current paper is to investigate the effects DED process parameters, including the effects of power and the scan speed of the laser, on deposition and residual stress characteristics for remanufacturing of mechanical parts using experiments and finite element analyses (FEAs). AISI 1045 is used as the substrate material and the feeding powder. The characteristic dimensions of the bead shape and the heat affected zone (HAZ) for different deposition conditions are obtained from the experimental results. Efficiencies of the heat flux model for different deposition conditions are estimated by the comparison of the results of FEAs with those of experiments in terms of the width and the depth of HAZ. In addition, the influence of the process parameters on residual stress distributions in the vicinity of the deposited region is investigated using the results of FEAs. Finally, a suitable deposition condition is predicted in regards to the bead formation and the residual stress.
In order to clarify the mechanical behavior of welding crack and to evaluate the mechanical characteristics of welded parts in thick plate, it is very important to accurately predict the welding deformation and residual stress including transient state before welding. In this paper, the theory of a three-dimensional elasto-plastic problem for the analysis of mechanical phenomenon of welding joint on the plate is developed into an efficient and accurate method based on the finite element method, and then several examples are considered by using the proposed model. The results of numerical analyses are discussed in the viewpoint of the mechanical characteristics of the distribution of three-dimensional welding residual stresses, plastic strains and their production mechanism on the thick plate.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.20
no.12
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pp.113-122
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2021
Complicated residual stress distributions occur in the vicinity of a deposited region via directed energy deposition (DED) process owing to the rapid heating and cooling cycle of the deposited region and the substrate. The residual stress can cause defects and premature failure in the vicinity of the deposited region. Several heat treatment technologies have been extensively researched and applied on the part deposited by the DED process to relieve the residual stress. The aim of this study was to investigate the residual stress characteristics of a specimen fabricated by DED and a quenching process using thermomechanical analyses. A coupled thermomechanical analysis technique was adopted to predict the residual stress distribution in the vicinity of the deposited region subsequent to the quenching step. The results of the finite element (FE) analyses for the deposition and the cooling measures show that the residual stress in the vicinity of the deposited region significantly increases after the completion of the elastic recovery. The results of the FE analyses for the heating and quenching stages further indicate that the residual stress in the vicinity of the deposited region remarkably increases at the initial stage of quenching. In addition, it is observed that the residual stress for quenching is lesser than that after the elastic recovery, irrespective of the deposited material.
The frequency selective surface (FSS) embedded hybrid composite materials have been developed to provide excellent mechanical and specific electromagnetic properties. Radar absorbing structures (RASs) are an example material that provides both radar absorbing properties and structural characteristics. The absorbing efficiency of an RAS can be improved using selected materials having special absorptive properties and structural characteristics and can be in the form of multi-layers or have a certain stacking sequence. However, residual stresses occur in FSS embedded composite structures after co-curing due to a mismatch between the coefficients of thermal expansion of the FSS and the composite material. In this study, to develop an RAS, the thermal residual stresses of FSS embedded composite structures were analyzed using finite element analysis, considering the effect of stacking sequence of composite laminates with square loop (SL) and double square loop (DSL) FSS patterns. The FSS radar absorbing efficiency was measured in the K-band frequency range of 21.6 GHz. Residual stress leads to a change in the deformation of the FSS pattern. Using these results, the effect of transmission characteristics with respect to the deformation on FSS pattern was analyzed using an FSS Simulator.
Jaehyeon Noh;Hoonseok Lee;Taeyeong Park;Seungho Kim
Journal of the Korean Society of Visualization
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v.22
no.2
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pp.82-89
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2024
In this study, experiments were conducted to visualize and analyze the dynamic characteristics of splash and residual liquid film formation during and after the injection of water droplets onto vertically situated solid substrates with varying surface wettability, elasticity, and microtexture. As wettability decreased (higher contact angle), more splash droplets formed, and the residual liquid film decreased. Low contact angles resulted in thin residual films and less splash. Surface elasticity absorbed the impact forces of droplets, thereby decreasing splash phenomena and significantly reducing the formation of residual liquid films due to surface vibration. Surfaces with microtextures demonstrated control over droplet splash direction, guiding the liquid along desired pathways. High-speed imaging provided detailed insights, showing that surface properties critically influence splash dynamics and residual liquid film formation.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.33
no.4
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pp.401-408
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2009
This study is performed to check the three dimensional characteristics of residual stress in the dissimilar metal weld. Although two dimensional analysis has been widely used for the assessment of weld residual stress, it has limitations to understand the stress distribution of the third direction. 3-D analysis was done to understand residual stress distribution of the welded plate. A simple butt-welded plate was considered to show the stress variation on all direction. A mock-up plate weldment was fabricated with SA-508 and F316L, which are widely used in nuclear power plants. The analysis results were validated with the measured values in the mock-up.
Sung D. Kwon;Sung J. Song;Dong H. Bae;Lee, Young Z.
Journal of Mechanical Science and Technology
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v.16
no.9
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pp.1084-1092
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2002
The frequency dependency of Rayleigh surface wave is investigated indirectly by measuring the angular dependency of the backward radiation of the incident ultrasonic wave in two kinds of degraded specimens by scuffing or corrosion. Then, the frequency dependency is compared with the residual stress distribution or the corrosion-fatigue characteristics for the scuffed or corroded specimens, respectively. The width of the backward radiation profile increases with the increase of the variation in residual stress distribution for the scuffed specimens. In the corroded specimens, the profile width decreases with the increase of the effective aging layer thickness and is inversely proportional to the exponent, m, in the Paris' law that can predict the crack size increase due to fatigue. The result observed in this study demonstrates high potential of backward radiated ultrasound as a tool for nondestructive evaluation of subsurface gradient of material degradation generated by scuffing or corrosion.
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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2003.11a
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pp.118-126
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2003
In the present study, the residual stresses can have a significant on the life of structural engineering components. Residual stresses are created by the surface treatment such as shot peening or deep rolling. The objective of this experimental investigation is to study the influence of friction and wear characteristics due to residual stress under dry sliding condition. Friction and wear data were obtained with a specially designed tribometer. Test specimens were made of SUP9(leaf spring material) after they were created residual stress by shot peening treatment. Residual stress profiles were measured at surface by means of the X-ray diffraction. Sliding tests were carried out different contact pressure and same sliding velocity 0.035m/s(50rpm). Leaf spring assembly test used to strain gauge sticked on leaf spring specimen in order to measure interleaf friction of leaf spring. Therefore, we were obtained hysteresis curve. As the residual stresses of surfaces increased, coefficient of friction and wear volume are decreased, but the residual stresses of surfaces are high, and consequently wear volume do not decreased. Coefficient of friction obtained from leaf spring assembly test is lower than that obtained from sliding test. From the results, structural engineering components reduce coefficient of friction and resistant wear in order to have residual stresses themselves.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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