Ultrasonic waves are used in various applications in multiple devices, sensors, and high-power machinery, such as processing machines, welders, and cleaners, because the acoustic vibration frequencies are above the human audible frequency range. In ultrasonic machining, electrical energy at a high frequency of 20 kHz or more is converted into mechanical vibration by a vibrator and an amplifier. This technique allows instantaneous separation between a tool and a workpiece during machining, machining by pulse impulse force at the time of re-contact and minimizes the minute elastic deformations of the workpiece and machine tools due to the cutting effect. The Al7075 alloy used in this study is a typical aluminum alloy with superior strength that is mainly used in aircrafts, automobiles, and sporting goods. To investigate the optimal conditions for machining aluminum alloy using ultrasonic vibration, the present experiment utilized the Taguchi orthogonal array method, and the coefficient of friction was analyzed using the characteristics of the Taguchi technique. In ultrasonic friction and abrasion tests, the changes in the friction coefficient were measured in the absence of ultrasonic vibrations and at 28 kHz and 40 kHz. As a result, the most considerable influence on the friction coefficient was found to be the normal load, and the frequency of ultrasonic vibrations increases, the coefficient of friction increases. It was thus confirmed that the amount of wear increases when ultrasonic vibration is applied.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.18
no.4
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pp.369-374
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2009
In micro/nano-scale contacts in MEMS and NEMS, capillary and van der Waals forces generated around contacting micro-asperities significantly influence the performance of concerning device as they are closely related to adhesion and stiction of interacting surfaces. In this regard, it is of prime importance to accurately estimate the magnitude of surface forces so that an optimal solution for reducing friction and adhesion of micro/nano-surfaces may be obtained We introduced an effective method to calculate these surface forces based on topography information obtained from an atomic force microscope. This method was used to calculate surface forces generated in the contact interface formed between diamond-like carbon coating and $Si_3N_4$ ball. This method is shown to effectively demonstrate the influence of capillary force in the contact area, especially in humid atmosphere.
Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference
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1999.08a
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pp.293-300
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1999
A mathematical model for the analysis of roll gap phenomena in strip temper rolling process is described. The mechanical peculiarities of temper rolling process, such as high friction value and non-circular contact arc, low reduction and non-negligible entry and exit elastic zones as well as central restricted deformation (preliminary displacement or sticking) zone etc., are all taken into account. The deformation of work rolls is calculated with the influence function method and arbitrary contact arc shape is permitted. The strip deformation is modeled by slab method and the entry and exit elastic deformation zones are included. The restricted deformation zone near the neutral point is also considered. The concept and the calculation method of limiting preliminary displacement are used to determine the length of the central restricted deformation zone. The comparison of the model results with the measured mill data is also made.
In foil bearings, the friction between bumps and their mating surfaces is the major factor which exerts great influence on the bearing performance. From this point of view, many efforts have been made to improve the understanding of the influence of the friction on the foil bearing performance by developing a number of analytical models. However, most of them did not consider the hysteretic behavior of the foil structure resulting from the friction. The present work developed the static structural model in which hysteretic behavior of the friction was considered. The foil structure was modeled using finite element method and the algorithm which determines the conditions of the contact nodes and the directions of the friction forces was used to take into account the friction. The developed model was integrated into the foil bearing prediction code to investigate the effects of the friction on the static performance of the bearing. The results of analysis show that multiple static equilibrium positions are presented for the one static load under the influence of the friction, inferring its great effects on the dynamic performance. However, the effect of friction on the minimum film thickness which determines load capacity of the bearing is negligible.
The reinforced concrete lining of hydraulic pressure tunnels tends to crack under high inner water pressure (IWP), which results in the inner water exosmosis along cracks and involves typical hydro-mechanical interaction. This study aims at the development, validation and application of an indirect-coupled method to simulate the lining cracking process. Based on the concrete damage plasticity (CDP) model, the utility routine GETVRM and the user subroutine USDFLD in the finite element code ABAQUS is employed to calculate and adjust the secondary hydraulic conductivity according to the material damage and the plastic volume strain. The friction-contact method (FCM) is introduced to track the lining-rock interface behavior. Compared with the traditional node-shared method (NSM) model, the FCM model is more feasible to simulate the lining cracking process. The number of cracks and the reinforcement stress can be significantly reduced, which matches well with the observed results in engineering practices. Moreover, the damage evolution of reinforced concrete lining can be effectively slowed down. This numerical method provides an insight into the cracking process of reinforced concrete lining in hydraulic pressure tunnels.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.13
no.1
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pp.1-8
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1989
A general and efficient algorithm is proposed for the analyses of multibody elastic contact problems. It is presumed that there exists negligible friction between the bodies. It utilizes a simplex type algorithm with a modified entry rule and incoporates finite element method to obtain flexibility matrices for arbitrarily shaped bodies. The multibody contact problem of a vehicle support on an elastic foundation is considered first to show the effictiveness of the suggested algorithm. Its solution is compared favorably with the existing solution. A contact problem among inner race, rollers and outer race is analyzed and the distribution of load, rigid body movements and contact pressure distributions are obtained. The trend of contact characteristics is compared with that of the idealized Hertzian solutions for two separate two-body contact problems. The numerical results obtained by directly treating a multibody contact are believed to be more exact than the Hertzian solution for the idealized two separate two-body contact problems.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.22
no.2
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pp.163-169
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2012
The brake squeal propensity associated with friction curve is investigated by using the hybrid finite element(FE)-analytical model. The modal analysis of an actual disc and pad is conducted by FE method. Also, the modeling for the accurate contact and disc rotation is analytically achieved. The eigenvalue analysis for the hybrid model provided the squeal dependency on the friction curve. Particularly, some pad modes and the disc torsion mode are shown to be sensitive for the friction curve.
Atomic force microscopy (AFM) has been used as a tool, not only for imaging surfaces, but also for measuring surface forces and mechanical properties at the nano-scale. Force calibration is crucial for quantitatively measuring the forces that act between the AFM probe of a force sensing cantilever and a sample. In this work, the lateral force calibrations of a V-shaped cantilever were performed using the finite element method, multiple pivot loading, and thermal noise methods. As a result, it was shown that the multiple pivot loading method was appropriate for the lateral force calibration of a V-shaped cantilever. Further, through crosschecking of the abovementioned methods, it was concluded that the thermal noise method could be used for determining the lateral spring constants as long as the lateral deflection sensitivity was accurately determined. To obtain the lateral deflection sensitivity from the sticking portion of the friction loop, the contact stiffness should be taken into account.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.24
no.10
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pp.749-755
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2014
The analytical-finite element(FE) squeal model is applied to investigate the squeal propensity associated with contact stiffness of the disc brake system. The system contact stiffness is incorporated into the perturbed equations of motion in the analytical manner where the brake components are modeled by FE method. The results show that the contact stiffness of the friction material and the contact stiffness between the pads and caliper are the influential factors on the squeal propensity. Particularly, the modal instability of the 3200 Hz squeal mode drastically changes with respect to the contact stiffness between the pads and caliper.
In this study, a two dimensional model of receding contact problem has been analyzed using finite element method (FEM) based software ANSYS and ABAQUS. For this aim finite element modeling of elastic layer and two homogeneous, isotropic and symmetrical elastic quarter planes pressed by means of a rigid circular punch has been presented. Mass forces and friction are neglected in the solution. Since the problem is examined for the plane state, the thickness along the z-axis direction is taken as a unit. In order to check the accuracy of the present models, the obtained results are compared with the available results of the open literature as well as the results of two software are compared using Root Mean Square Error (RMSE) and good agreements are found. Numerical analyses are performed considering different values of the external load, rigid circular radius, quarter planes span length and material properties. The contact lengths and contact stresses of these values are examined, and their results are presented. Consequently, it is concluded that the considered non-dimensional quantities have noteworthy influence on the contact lengths and contact stress distributions, additionally if FEM analysis is used correctly, it can be an efficient alternative method to the analytical solutions that need time.
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