Hành vi gãy của gốm giòn dưới rung siêu âm hình elip: Phân tích tiếp xúc gần ngưỡng của một chóp phẳng đàn hồi

Zhiqiang Gong1, Yanhu Zhang2, Hao Fu2, Yuhua Zhou2, Hongyu Liang2, Jinghu Ji3
1School of Mechanical Engineering, Chaohu University, Hefei, People’s Republic of China
2Institute of Advanced Manufacturing, Jiangsu University, Zhenjiang, People’s Republic of China
3School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, People’s Republic of China

Tóm tắt

Vấn đề tiếp xúc đồng dạng và không đồng dạng trong các động cơ piezoelectric có thể rất khó nắm bắt, đặc biệt là khi cả hệ thống truyền ma sát và tuổi thọ hao mòn được xem xét. Dựa trên vấn đề tiếp xúc cổ điển, một chóp phẳng giòn đàn hồi được chọn làm đầu dẫn động của stato cho các thiết bị piezoelectric và hành vi tiếp xúc dưới rung siêu âm hình elip được nghiên cứu bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Phân tích ứng suất hạn chế được tiến hành sau khi tiếp xúc tĩnh gần giữa đầu dẫn động và thanh trượt của các động cơ siêu âm tuyến tính. Sau khi phân tích lý thuyết và thử nghiệm về thất bại gãy do các tác động ứng suất gây ra, tiêu chí thất bại của đầu dẫn động giòn đàn hồi được thảo luận. Kết quả cho thấy phương pháp tĩnh gần này có thể được áp dụng cho phân tích tiếp xúc phức tạp của một thiết bị rung hình elip, và các đặc điểm thất bại do ứng suất và biến dạng có thể được thu được thông qua mô phỏng FEM và xác thực thực nghiệm. Bản đồ ứng suất tiền gãy cung cấp một cơ sở quan trọng cho việc thiết kế cạnh đột biến hình học (ví dụ: cạnh tròn) của chóp phẳng giòn đàn hồi và cấu trúc tổ hợp cho khả năng chịu lực. Phân tích thất bại của vật liệu giòn dưới rung siêu âm yêu cầu chú ý đến các tiêu chí sức mạnh gần giòn và gần dẻo. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định các ứng suất tiếp xúc và các trạng thái hạn chế trong suốt quá trình rung hình elip của đầu stato chống lại thanh trượt. Điều này cũng quan trọng cho phân tích về các chế độ thất bại của các vật liệu ma sát trong thiết bị siêu âm, hao mòn ma sát của các bộ phận kết nối tần số cao và quá trình gia công hỗ trợ bằng rung siêu âm.

Từ khóa

#động cơ piezoelectric #rung siêu âm #ứng suất tiếp xúc #gốm giòn #phương pháp phần tử hữu hạn #chế độ thất bại #phân tích vật liệu

Tài liệu tham khảo

Argatov, I., Mishuris, G.: An analytical solution for a linear viscoelastic layer loaded with a cylindrical punch: evaluation of the rebound indentation test with application for assessing viability of articular cartilage. Mech. Res. Commun. 38, 565–568 (2011) Arslan, O.: Plane contact problem between a rigid punch and a bidirectional functionally graded medium. Euro. J. Mech. A/Solids 80, 103925 (2020) Banerjee, N., Hills, D.A., Dini, D.: The derivation and application of a semi-infinite flat and rounded asymptotic frictionless contact. Int. J. Mech. Sci. 51, 662–666 (2009) Brothers, P.W., Sinclair, G.B., Segedin, C.M.: Uniform indentation of the elastic half-space by a rigid rectangular punch. Int. J. Solids Struct. 13, 1059–1072 (1977) Campbell, C.J., Gill, S.P.A.: An analytical model for the flat punch indentation size effect. Int. J. Solids Struct. 171, 81–91 (2019) Cao, Y., Ma, D., Raabe, D.: The use of flat punch indentation to determine the viscoelastic properties in the time and frequency domains of a soft layer bonded to a rigid substrate. Acta Biomater. 5, 240–248 (2009) Dini, D., Nowell, D.: Flat and rounded fretting contact problems incorporating elastic layers. Int. J. Mech. Sci. 46, 1635–1657 (2004) Djojodihardjo, H., Jafari, M., Wiriadidjaja, S., Ahmad, K.A.: Active Vibration Suppression of an elastic piezoelectric sensor and actuator fitted cantilevered beam configurations as a generic smart composite structure. Compos. Struct. 132, 848–863 (2015) Guo, J., Li, D., Wang, H., Yang, Y., Wang, L., Guan, D., Qiu, Y., He, L., Zhang, S.: Effect of contact stress on the cycle-dependent wear behavior of ceramic restoration. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 68, 16–25 (2017) Hoek, E., Martin, C.D.: Fracture initiation and propagation in intact rock: a review. J. Rock Mech. Geotech. Eng. 6, 287–300 (2014) Jaffar, M.J.: Frictionless contact between an elastic layer on a rigid base and a circular flat-ended punch with rounded edge or a conical punch with rounded tip. Int. J. Mech. Sci. 44, 545–560 (2002) Jockwer, R., Dietsch, P.: Review of design approaches and test results on brittle failure modes of connections loaded at an angle to the grain. Eng. Struct. 171, 362–372 (2018) Jordan, E.H., Urban, M.R.: An approximate analytical expression for elastic stresses in flat punch problems. Wear 236, 134–143 (1999) Karolczuk, A., Macha, E.: A review of critical plane orientations in multiaxial fatigue failure criteria of metallic materials. Int. J. Fract. 134, 267 (2005) Lee, G.-A., Kwak, D.-Y., Kim, S.-Y., Im, Y.-T.: Analysis and design of flat-die hot extrusion process 1. Three-dimensional finite element analysis. Int. J. Mech. Sci. 44, 915–934 (2002) Li, P., Liu, Y., Zhang, H., Wang, Q.: Indentation on a half-infinite one-dimensional hexagonal quasi-crystal space by a rigid flat-ended cylindrical indenter with uniform heat flux or temperature. Mech. Mater. 131, 33–46 (2019) Liu, T., Jagota, A., Hui, C.-Y.: Effect of surface tension on the adhesion between a rigid flat punch and a semi-infinite neo-Hookean half-space. Extreme Mech. Lett. 9, 310–316 (2016) Liu, Y., Wang, X., Li, Y.: Distributed piezoelectric actuator layout-design for active vibration control of thin-walled smart structures. Thin-Wall. Struct. 147, 106530 (2020) Lv, Z., Huang, C., Zhu, H., Wang, J., Yao, P., Liu, Z.: FEM analysis on the abrasive erosion process in ultrasonic-assisted abrasive waterjet machining. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 78, 1641–1649 (2015) Ma, L., Korsunsky, A.M., Wiercigroch, M.: Dislocation model of localized plastic deformation initiated with a flat punch. Int. J. Solids Struct. 47, 1082–1089 (2010) Miyoshi, K., Buckley, D.H.: Ceramic wear in indentation and sliding contact. Tribol. Trans. 28, 296–302 (1985) Mogi, K.: Effect of the triaxial stress system on fracture and flow of rocks. Phys. Earth Planet. Inter. 5, 318–324 (1972) Mugadu, A., Hills, D.A., Barber, J.R., Sackfield, A.: The application of asymptotic solutions to characterising the process zone in almost complete frictional contacts. Int. J. Solids Struct. 41, 385–397 (2004) Nad, M., Kolikova, L., Rolnik, L., Duris, R.: Investigation of vibration effects and tool shape on edge chipping phenomenon occurring during rotary ultrasonic drilling. J. Sound Vib. 439, 251–259 (2019) Peng, B., Feng, X.-Q., Li, Q.: Decohesion of a rigid flat punch from an elastic layer of finite thickness. J. Mech. Phys. Solids 139, 103937 (2020) Porter, M., Hills, D.A.: A flat punch pressed against an elastic interlayer under conditions of slip and separation. Int. J. Mech. Sci. 44, 465–474 (2002) Radi, B., El Hami, A.: The study of the dynamic contact in ultrasonic motor. Appl. Math. Model. 34, 3767–3777 (2010) Rakshit, R., Das, A.K.: A review on cutting of industrial ceramic materials. Precis. Eng. 59, 90–109 (2019) Sackfield, A., Dini, D., Hills, D.A.: The finite and semi-infinite tilted, flat but rounded punch. Int. J. Solids Struct. 42, 4988–5009 (2005) Saito, Y., Kysar, J.W.: Wedge indentation into elastic–plastic single crystals, 1: asymptotic fields for nearly-flat wedge. Int. J. Plast 27, 1640–1657 (2011) Shi, Y., Zhao, C., Zhang, J.: Contact analysis and modeling of standing wave linear ultrasonic motor. J. Wuhan Univ. Technol. Mater. Sci. Ed. 26, 1235–1242 (2011) Suzuki, M., Hosaka, H., Morita, T.: Resonant-type smooth impact drive mechanism actuator with two Langevin transducers. Adv. Robot. 26, 277–290 (2012) Tang, H., Deng, W., Sun, Z., Wang, Y., Li, L., Ding, Y., Zhou, Y.: Optimization of factors influencing temperature rise and thermal necrosis of a robot driven piezoelectric osteotomy in bovine cortical bone: an in vitro study using an orthogonal test design. Clin. Biomech. 70, 249–256 (2019) Thompson, R.P., Clegg, W.J.: Predicting whether a material is ductile or brittle. Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 22, 100–108 (2018) Wang, J., Jin, J., Zhao, C.: The contact problem of hard contact materials linear ultrasonic motors. J. Electroceram. 31, 21–27 (2013) Zelentsov, V.B.: The dynamics of the motion of a flat punch on the boundary of an elastic half-plane. J. Appl. Math. Mech. 77, 642–658 (2013) Zenkour, A.M., Alghanmi, R.A.: Stress analysis of a functionally graded plate integrated with piezoelectric faces via a four-unknown shear deformation theory. Results Phys 12, 268–277 (2019) Zhang, Y., Qu, J., Li, J.: Friction and wear behavior of linear standing-wave ultrasonic motors with V-shape transducers. Tribol. Int. 95, 95–108 (2016) Zhang, Y., Fu, Y., Hua, X., Quan, L., Qu, J.: Wear debris of friction materials for linear standing-wave ultrasonic motors: Theory and experiments. Wear 448–449, 203216 (2020) Zhao, K., Liao, A.: Updating the undamped piezoelectric smart structure system with no-spillover. Appl. Math. Lett. 107, 106435 (2020) Zhou, C., Duan, J., Deng, G., Li, J.: A novel high-speed jet dispenser driven by double piezoelectric stacks. IEEE Trans. Industr. Electron. 64, 412–419 (2017) Zisis, T., Gourgiotis, P.A., Dal Corso, F.: A contact problem in couple stress thermoelasticity: the indentation by a hot flat punch. Int. J. Solids Struct. 63, 226–239 (2015)