Herein, we present a numerical investigation of wear analysis of sliding systems with a constant speed subjected to Archard's wear law. For this investigation, we compared two methods: eigen-wear analysis and adaptive meshing technique. The eigen-wear analysis is advantageous to predict the evolution of contact pressure due to wear using the initial contact pressure and contact stiffness. The adaptive meshing technique in finite element analysis is employed to obtain transient wear behavior, which needs significant computational resources. From the eigen-wear analysis, we can determine the appropriate element size required for finite element analysis and the time increment required for wear evolution by a dimensionless variable above a certain value. Since the prediction of wear depends on the maximum contact pressure, the finite element model should have a reasonable representation of the maximum contact pressure. The maximum contact pressure and wear amount according to this dimensionless variable shows that the number of fine meshes in the contact area contributes more to the accuracy of the wear analysis, and the time increment is less sensitive when the number of contact nodes is significantly larger. The results derived from a two-dimensional wear model can be applied to a three-dimensional wear model.
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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2001.11a
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pp.19-26
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2001
The wear characteristic of Zircaloy-4 tube, which is used for a cladding of light water reactor fuel rod, is investigated experimentally. The experiment is conducted with contacting the crossed tube specimens in air as well as in water at room temperature with various combination of contact normal force and sliding distance of reciprocating motion. The contour and the volume of each wear are examined to study the effect of contact condition and environment on wear. As a result, it is found that the wear volume in the water environment is larger than that in the air for all the contact (i.e., force and sliding distance) conditions. However, the wear depth is greater in air than in water if the contact normal force and the sliding distance are larger. These are explained by the ease of detachment of wear particles from the contact surface. On the other hand, workrate model is applied with the contact shear force range measured by our wear tester. Investigated is the correlation between the workrate and the wear volume increase rate of the present experiment. The parabolic curve is found to fit well for the present wear data.
Wear is affected by numerous factors-contact load, sliding velocity and distance, friction coefficient, material properties and environmental conditions. Among these wear factors, surface hardness is one of very important factors to determine wear. But surface hardness is varied by work hardening during repeated sliding contact. In this reason wear rate is increased or decreased with varying surface hardness, and transition of wear mechanism is happened. In this study, the surface hardening by accumulating residual stress was analyzed by considering the repeated sliding Hertzian contact model. The results showed that surface hardness was increased with increasing contact load, friction coefficient and contact number. And the depth of hardening layer, plastic layer and elastic layer depended upon contact load and number, but they didn't depend upon friction coefficient. The predicted surface hardness was about 1.5-1.8 times as hard as the material.
When the tube contacted to support and antivibration bar of the steam generator in unclear power plant, the contact area is worn out by their relative displacement. In the study, wear depths of the tube inclined to tube support and antivibration bar are approximately predicted by a method using the contact load and relative displacement. In the case of the inclined contact, the results show wear depths of the steam generator tube predicted by the impact model are larger than those by the sliding model.
This paper describes the characteristics of wheel wear of high speed train running on the conventional line. Conventional line has many curved tracks that cause severe wheel flange wear. The influences of lubrication, cant deficiency, curve radius on wheel wear are also described considering the operation performance of the highspeed trainset. A method of calculation using contact patch work model is presented for determination of the evolution by wear of railway wheels.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2008.11a
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pp.89-90
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2008
This paper studies the effect of pad at initial stage and wear during braking on the dynamic contact pressure distribution. Wear is influenced by variable factor (contact pressure, sliding speed, radius, temperature) during dynamic braking and variation in contact pressure distribution. Many researchers have conducted complex eigenvalue analysis considering wear characteristic with Lim and Ashby wear map. The conventional analysis method is assumed the pad has smooth and flat surfaces. The purpose of this paper is to validate that wear rate induced by braking is considered for the precise squeal prediction. After obtaining pad wear from experiment, it is incorporated with FE model of brake system. Finally, the comparisons in fugitive nature of squeal will be carried out between the complex eigenvalue analysis and noise dynamometer experiment.
Fretting, which is a special type of wear, is defined as small amplitude relative motion along the contacting interface between two materials. The structural integrity of steam generators in nuclear power plants is very much dependent upon the fretting wear characteristics of Inconel 690 U-tubes. In this study, a finite element model that can simulate fretting wear on the secondary side of the steam generator was developed and used for a quantitative investigation of the fretting wear phenomenon. Finite element modeling of elastic contact wear problems was performed to demonstrate the feasibility of applying the finite element method to fretting wear problems. The elastic beam problem, with existing solutions, is treated as a numerical example. By introducing a control parameter s, which scaled up the wear constant and scaled down the cycle numbers, the algorithm was shown to greatly reduce the time required for the analysis. The work rate model was adopted in the wear model. In the three-dimensional finite element analysis, a quarterly symmetric model was used to simulate cross tubes contacting at right angles. The wear constant of Inconel 690 in the work rate model was taken as $K=26.7{\times}10^{-15}\;Pa^{-1}$ from experimental data obtained using a fretting wear test rig with a piezoelectric actuator. The analyses revealed donut-shaped wear along the contacting boundary, which is a typical feature of fretting wear.
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.
Face gear transmission is widely used in aerospace shunt-confluence transmission system. Tooth wear is one of the main factors affecting its bearing transmission performance. Furthermore, the installation errors of face gear are inevitable. In order to study the wear mechanism of face gear tooth surface with installation errors, based on tooth contact analysis numerical method and Archard wear theory, the UMESHMOTION subroutine in ABAQUS is developed.Combining with Arbitrary Lagrangian-Eulerian adaptive mesh technology, the finite element mesh wear model of abraded face gear pair is established.The preprocessing conditions are set to generate the inp files.Then,the inp files for each corner are imported and batch processed in ABAQUS.The loading tooth contact problem at each rotation angle is solved and the load distribution coefficient among gear tooth, tooth root bending stress, tooth surface contact stress and loaded transmission error are obtained. Results show that the tooth root wear is the most serious and the wear at the pitch cone is close to 0.The wear law of tooth surface along tooth width direction is convex parabola and the wear law along tooth height direction is concave parabola.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.32
no.11
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pp.930-936
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2008
This paper studies the effect of pad at initial stage and wear during braking on the dynamic contact pressure distribution. Wear is influenced by variable factor (contact pressure, sliding speed, radius, temperature) during dynamic braking and variation in contact pressure distribution. Many researchers have conducted complex eigenvalue analysis considering wear characteristic with Lim and Ashby wear map. The conventional analysis method is assumed the pad has smooth and flat surfaces. The purpose of this paper is to validate that wear rate induced by braking is considered for the precise squeal prediction. After obtaining pad wear from experiment, it is incorporated with FE model of brake system. Finally, the comparisons in fugitive nature of squeal will be carried out between the complex eigenvalue analysis and noise dynamometer experiment.
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