تاثیر لایه هدفمند ارتوتروپیک میانی بر میدان تنش تماسی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار

چکیده

در این پژوهش مسأله تماس لغزشی بین یک استوانه صلب و یک سیستم پوشش/ بستر مطالعه می شود. سیستم مذکور شامل یک پوشش سخت در سطح تماس، یک میان لایه هدفمند و یک بستر همگن می باشد. در اینجا فرض می شود که میان لایه هدفمند دارای رفتار ارتوتروپی است. با فرض اینکه مدول الاستیسیته لایه هدفمند در راستای ضخامت آن به صورت نمایی تغییر می کند مسأله مذکور در نرم افزار تجاری ABAQUS شبیه سازی می شود. تأثیر پارامترهای ارتوتروپی و ناهمگنی لایه هدفمند بر روی میدان تنش داخلی سیستم و توزیع تنش ها روی فصل مشترک لایه ها مورد بررسی قرار می گیرد. بر اساس نتایج بدست آمده، با معماری مناسب خواص ارتوتروپی و ناهمگنی میان لایه هدفمند می توان سطح تنش های بیشینه سیستم را کنترل کرد. برای یک میان لایه با سفتی بالاتر در راستای سطح تماس نسبت به جهت عمود بر آن، حداکثر تنش فون میسز در بستر تا 7% کاهش می یابد. علاوه بر این، با افزایش ضخامت لایه هدفمند نسبت به پوشش سخت مقاومت اتصال لایه ها به طور چشمگیری بهبود می یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]     Andakhshideh A., Tahani M., Maleki S., and Aghdam M. M., Linear and Non-linear Analysis of functionally Graded plates using generalized differential quadrature method. In 2nd ECCOMAS Thematic Conference on the Mechanical Response of composites. Imperial College London, UK, 2009.
[2]     Maleki S., Static Analysis of Functionally Graded cylindrical panel with the GDQ method, PhD Thesis,Amirkabir University of Technoligy,  2006.
[3]     Tahani M., and Anbarsouz M., Effect of Functionally Graded Materials on maximum stress at Bone Implant interface in dental implants. In 15th Iranian Conference of Biomedical Engineering, Mashhad, Iran, 2009.
[4]     Li Q., Lin D., Li W., Zhou S. H., and Swain M., Design optimization of functionally graded dental implant for bone remodeling. Composites Part B: Engineering, Vol. 40, No.7, pp. 668-675, 2009.
[5]     Rahbar N., and Soboyejo W. O., Design of functionally graded dental multilayers. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, Vol. 34, No.11, pp. 887-897, 2011.
[6]     Soboyejo W., Du J., Niu X., and Rahbar N., Bio-inspired dental multilayers Effects of layer architecture on the contact-induced deformation. Acta biomaterialia, Vol. 9, No.2, pp. 5273-5279, 2013.
[7]     Jalali S. K., Yarmohammadi R., and Avci A., Finite element stress analysis of functionally graded dental implant of a premolar tooth. Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 30, No.11, pp. 4919-4923, 2016.
[8]     Ashrafi H.,  Mahzoon M., and Shariyat M., A new mathematical modeling of contact treatment between an orthotropic material and a rigid indenter. Iranian Journal of Materials Science & Engineering, Vol. 9, No.1, pp. 29-41, 2012.
[9]     Liu T. J., Wang Y. S., and Xing Y. M., Fretting contact of two elastic solids with graded coatings under torsion. International Journal of Solids and Structures, Vol. 49, No.10, pp. 1283-1293, 2012.
[10] Liu J., Ke L. L., Wang Y. S., Yang J., and Alam F., Thermoelastic frictional contact of functionally graded materials with arbitrarily varying properties. International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 63, No.1, pp. 86-98, 2012.
[11] Guler M. A., Closed-form solution of the two-dimensional sliding frictional contact problem for an orthotropic medium. International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 87, pp. 72-88, 2014.
[12] Alinia Y., Beheshti A., Guler M. A., El-Borgi S., and Polycarpou A. A., Sliding contact analysis of functionally graded coating/substrate system. Mechanics of Materials, Vol. 94, pp. 142-155, 2016.
[13] Guler M. A., Kucuksucu A., Yilmaz K. B., and Yildirim B., On the analytical and finite element solution of plane contact problem of a rigid cylindrical punch sliding over a functionally graded orthotropic medium. International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 120, pp. 12-29, 2017.
[14] Arslan O., and Dag S., Contact mechanics problem between an orthotropic graded coating and a rigid punch of an arbitrary profile. International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 135, pp. 541-554. 2018.
[15] Sampath S., Herman H., Shimoda N., and Saito T., Thermal spray processing of FGMs. MRS bulletin, Vol. 20, No.1, pp. 27-31, 1995.
[16] Kaysser W. A., and Ilschner B., FGM research activities in Europe. Mrs Bulletin, Vol. 20, No.1, pp. 22-26. 1995.
[17] Schulz U., and Schmücker M., Microstructure of ZrO2 thermal barrier coatings applied by EB-PVD. Materials Science and Engineering: A, Vol. 276, No.1-2, pp. 1-8, 2000.
[18] Sevostianov I., and Kachanov M., Plasma-sprayed ceramic coatings: anisotropic elastic and conductive properties in relation to the microstructure; cross-property correlations, Materials Science and Engineering: A, Vol. 297, No.1, pp. 235-243, 2001.
[19] Taylor W. R., Roland E., Ploeg H., Hertig D., Klabunde R., Warner M., Hobatho M. C, Rakotomanana L., and Clift S. E, Determination of orthotropic bone elastic constants using FEA and modal analysis. Journal of Biomechanics, Vol. 35, No.6, pp. 767-773, 2002.
[20] Baca V., Horak Z., Mikulenka P., Dzupac V., Comparison of an inhomogeneous orthotropic and isotropic material models used for FE analyses. Medical Engineering & Physics, Vol. 30, No.7, pp. 924-930, 2008.
[21]  Yang H., Ma X., and Guo T., Some factors that affect the comparison between isotropic and orthotropic inhomogeneous finite element material models of femur. Medical Engineering & Physics, Vol. 32, No.6, pp. 553-560, 2010.
[22] San Antonio T., Ciaccia M., Müller-Karger C., and Casanova E., Orientation of orthotropic material properties in a femur FE model: A method based on the principal stresses directions. Medical Engineering & Physics, Vol. 34, No. 7, pp. 914-919, 2012.
[23]  Hills D. A, Nowell D., Sackfield A., Mechanics of Elastic Contacts. Butterworth-Heinemann, London, 1993.
[24]  King R. B., and O'sullivan T. C., Sliding contact stresses in a two-dimensional layered elastic half-space. International Journal of Solids and Structures, Vol. 23, No.5, pp. 581-597, 1986.