Engineering Science and Materials Commons^™

การพัฒนาเบ้าข้อสะโพกเทียมแบบโททัลฮิปสำหรับคนไทย, ธนชาติ ธนากรพิพัฒนกุล

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

ปัจจุบันสังคมไทยกำลังก้าวเข้าสู่สังคมผู้สูงอายุ ซึ่งสิ่งที่พบตามมามากขึ้นคือการป่วยจากการเสื่อมสภาพของร่างกาย ซึ่งพบว่าอาการปวดข้อสะโพกจากการเสื่อมที่ข้อสะโพกเป็นอาการที่พบมาก วิธีการรักษาให้หายขาดจะต้องเปลี่ยนข้อสะโพกเทียมแต่เพราะราคาที่สูงอันเนื่องมาจากการนำเข้าจากต่างประเทศ (200,000-600,000 บาทต่อข้าง) คนไทยส่วนใหญ่จึงไม่สามารถเข้าถึงได้ งานวิจัยนี้จึงมีจุดประสงค์เพื่อพัฒนาสะโพกเทียมแบบโททัลฮิปที่มีขนาดเหมาะสมกับกายวิภาคคนไทย และมีความแข็งแรงไม่ด้อยกว่าท้องตลาด เพื่อต่อยอดในอนาคตให้คนไทยผู้มีรายได้น้อยมีโอกาสเข้าถึงได้ โดยออกแบบคอนเนคเตอร์เพื่อปรับระยะคอสะโพกได้ที่ 30-56 มิลลิเมตร หัวสะโพกขนาด 36-52 มิลลิเมตรเพื่อใช้ในสะโพกเทียมแบบ unipolar และเบ้าสะโพกขนาด 40-56 มิลลิเมตร ซึ่งมีขนาดครอบคลุมกายวิภาคคนไทย โดยทดสอบความแข็งแรงเบื้องต้นตามมาตรฐานด้วยวิธีการทางไฟไนต์เอลิเมนต์ก่อนทำการผลิตจริงด้วยเครื่องกลึงซีเอ็นซี โดยทำการผลิตให้ได้ตามมาตรฐาน (ASTM F2033) โดยที่หัวสะโพกมีความหยาบผิวต่ำกว่า 50 นาโนเมตร เบ้าพลาสติก liner มีความหยาบผิวต่ำกว่า 2 ไมโครเมตร และเมื่อทดสอบข้อสะโพกทั้งหมดในชุดทดสอบตามแนวทางมาตรฐานด้านความล้าและการดึงหัวสะโพกออกจากคอสะโพกพบว่าผ่านการทดสอบทั้งหมด (ISO 7206-4, ISO 7206-6 และ ISO 7206-10) และ ออกแบบผลิตและทดสอบระบบความแข็งแรงของระบบล็อคภายในเบ้าสะโพกตามมาตรฐานเพื่อเปรียบเทียบกับท้องตลาด (ASTM 1820-98) พบว่าระบบล็อคที่ออกแบบทนแรงได้ไม่ด้อยกว่าท้องตลาดที่ 1,251 นิวตัน (ท้องตลาด 440-3,100 นิวตัน) และนำเบ้าสะโพกไปทดสอบความแข็งและการใช้ตามแบบธรรมชาติด้วยเครื่องทดสอบตามมาตรฐาน ASTM F2582 พบว่าหลังการทนสอบจนครบ 1,000,000 รอบ ระบบล็อคไม่เกิดการพังตัวซึ่งเป็นการยืนยันว่าระบบล็อคมีความแข็งแรงเพียงพอ

การประเมินปริมาณพลังงานที่ลดลงเมื่อนำรถยนต์ไฟฟ้ามาใช้ทดแทนในพื้นที่กรุงเทพมหานคร, ภูดิศ จตุสิทธางกูรณ์

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

มาตรการอนุรักษ์พลังงาน 20 ปี (EEP2015) ได้กำหนดเป้าหมายในการลดความเข้มการใช้พลังงานลง 25% ในปี พ.ศ.2573 เทียบกับปี 2548 สำหรับสาขาเศรษฐกิจที่กำหนดเป้าหมายไว้สูงสุดคือ ภาคการขนส่งคิดเป็น 46% ของเป้าหมายทั้งหมด หนึ่งในมาตรการอนุรักษ์พลังงานภาคการขนส่งคือ การใช้รถยนต์ไฟฟ้าทดแทนรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายในที่ตั้งเป้าหมายลดพลังงานลง 1,123 ktoe งานวิจัยนี้ศึกษาแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงไปของปริมาณพลังงานเมื่อมีการใช้รถยนต์ไฟฟ้าทดแทนรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน ในพื้นที่กรุงเทพมหานคร จำนวน 1.2 ล้านคัน ตามแผนขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้า พ.ศ.2558-2573 ด้วยการใช้แบบจำลองค่ากำลังจำเพาะของยานยนต์และการศึกษาพฤติกรรมการขับขี่ของรถยนต์ที่ใช้งานจริงในกรุงเทพมหานคร ทั้งนี้วิธีการศึกษาทำให้ได้ฐานข้อมูลพฤติกรรมการขับขี่ในเชิงอัตราการใช้พลังงานที่วิเคราะห์ข้อมูลจากการขับขี่จริงของรถยนต์ที่ใช้ในกรุงเทพมหานคร ครอบคลุมช่วงความเร็วในการขับขี่, ประเภทถนน และระยะทางของถนน มากกว่า 65.98% ในกรุงเทพมหานคร ฐานข้อมูลดังกล่าวได้ถูกนำมาพัฒนาเป็นแบบจำลองเพื่อวิเคราะห์อัตราการใช้พลังงานของเมือง และวิเคราะห์ปริมาณพลังงานเมื่อสถานการณ์เปลี่ยนแปลงไป สำหรับผลของปริมาณพลังงานที่เปลี่ยนแปลงไปเมื่อดำเนินการตามแผน EEP2015 บนสมมุติฐานสภาพจราจรและประสิทธิภาพเครื่องยนต์ไม่เปลี่ยนแปลงไป (กรณีฐาน) จะสามารถลดปริมาณพลังงานลงได้ 992.91 ktoe ซึ่งต่ำกว่าเป้าหมาย 130.09 ktoe หากต้องการให้บรรลุเป้าหมายจะต้องเพิ่มสัดส่วนการทดแทนด้วยรถยนต์ไฟฟ้าจาก 1.20 ล้านคัน (19.15%) เป็น 1.36 ล้านคัน (21.66%) และเพื่อเพิ่มทางเลือกในการประเมินความเป็นไปได้และการกำหนดทิศทางของนโยบายให้สามารถบรรลุเป้าหมายได้มากยิ่งขึ้น งานวิจัยนี้จึงใช้แบบจำลองดังกล่าววิเคราะห์ปริมาณพลังงานที่เปลี่ยนแปลงไปจากสถานการณ์ที่แตกต่างกัน 3 แบบคือ 1)เมื่อสภาพจราจรเปลี่ยนแปลงไปจากการปรับปรุงและพัฒนาโครงข่ายถนน, 2)เมื่อมี Carsharing และ 3)เมื่อน้ำหนักรถยนต์ลดลง จากการวิเคราะห์ผลของปริมาณพลังงานที่เปลี่ยนแปลงไปเมื่อสถานการณ์จำลองเปลี่ยนแปลงไป 3 แบบและมีสัดส่วนการทดแทนด้วยรถยนต์ไฟฟ้าตามแผน EEP2015 พบว่า การมี Carsharing จะสามารถลดปริมาณพลังงานลงได้มากที่สุด รองลงมาคือ การเปลี่ยนแปลงสภาพจราจร และการลดน้ำหนักรถยนต์ คิดเป็น 46.91, 17.83 และ17.81% ตามลำดับเมื่อเทียบกับกรณีฐาน จากการศึกษานี้สามารถนำไปใช้เพื่อศึกษาแนวโน้มและทิศทางการเปลี่ยนแปลงไปของปริมาณพลังงานจากสถานการณ์ต่างๆเพื่อใช้ในการกำหนดนโยบายให้สามารถบรรลุผลตามเป้าหมายได้ นอกจากนั้น การทดสอบรถในการใช้งานจริงกับสภาพจราจรในกรุงเทพมหานครที่มีลักษณะการขับขี่แบบขับๆ หยุดๆ พบว่ารถยนต์ไฟฟ้าที่เหมาะสมจะใช้ในกรุงเทพมหานคร ควรเป็นรุ่นที่มี regenerative braking มาก ซึ่งจะให้อัตราการใช้พลังงานได้ลดลงกว่า 13-16% เทียบกับรุ่นที่มี regenerative braking น้อยกว่า

การศึกษาอิงพารามิเตอร์ของระบบโคเจนเนอเรชันโดยใช้แบบจำลองคณิตศาสตร์, พงศ์ธร บุญฑริกพรพันธุ์

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

วิทยานิพนธ์ฉบับนี้เป็นการศึกษาและออกแบบจำลองระบบโคเจนเนอเรชันเชิงคณิตศาสตร์ จากการออกแบบและวิเคราะห์ผลลัพธ์ ทำให้ทราบผลจากการปรับค่าพารามิเตอร์ในวัฏจักรเบรย์ตันได้แก่ อัตราส่วนความดัน อัตราความร้อนของเชื้อเพลิง ประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกคอมเพรสเซอร์ และประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกกังหันแก๊ส ซึ่งผลจากการปรับค่าพารามิเตอร์ต่างๆเมื่อเทียบกับผลที่ได้จากแบบจำลองกรณีฐานของระบบโคเจนเนอเรชันเชิงคณิตศาสตร์นี้ การเพิ่มอัตราส่วนความดัน,การเพิ่มประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกกังหันแก๊ส และการเพิ่มประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกของคอมเพรสเซอร์ ทำให้กำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้ทั้งหมดเพิ่มขึ้นเพราะทำให้กำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้ที่กังหันแก๊สเพิ่มขึ้นมากกว่าการลดลงของกำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้จากกังหันไอน้ำ และทำให้ค่า PES เพิ่มขึ้นซึ่งมาจากกำลังไฟฟ้ารวมที่ผลิตได้มีปริมาณมากกว่าปริมาณอัตราความร้อนรวมที่ผลิตได้ แต่ค่าอัตราความร้อนรวมที่ผลิตได้ลดลง เนื่องจากอุณหภูมิแก๊สไอเสียที่ออกจากกังหันแก๊สลดลง ทำให้อุณหภูมิไอน้ำที่ผลิตได้ทั้งที่ความดันสูงและความดันต่ำลดลงส่งผลให้อัตราความร้อนที่ผลิตได้ลดลงทั้งคู่ การเพิ่มอัตราความร้อนของเชื้อเพลิงทำให้กำลังไฟฟ้ารวมที่ผลิตได้,อัตราความร้อนรวมที่ผลิตได้และค่า PES เพิ่มขึ้น เนื่องจากการเพิ่มอัตราความร้อนของเชื้อเพลิงทำให้อุณหภูมิของแบบจำลองนี้สูงขึ้นส่งผลให้กำลังไฟฟ้าที่ผลิตได้จากกังหันแก๊สและกังหันไอน้ำเพิ่มขึ้น อัตราความร้อนที่ผลิตได้ที่ความดันสูงและความดันต่ำเพิ่มขึ้น และจากการที่กำลังไฟฟ้ารวมกับอัตราความร้อนรวมที่ผลิตได้เพิ่มขึ้นส่งผลให้ PES เพิ่มขึ้น ผลจากการเปรียบเทียบค่าพารามิเตอร์สี่ตัวกับค่า PES ซึ่งจากการคำนวณปรับพารามิเตอร์เพิ่มขึ้นเป็นร้อยละหนึ่งนั้นทำให้ได้ค่า PES เพิ่มขึ้นจากค่ากรณีฐาน ซึ่งค่าพารามิเตอร์ประสิทธิภาพไอเซนโทรปิกกังหันแก๊สเพิ่มขึ้นทำให้ได้ค่า PES เพิ่มขึ้นมากที่สุดคือ 0.572% ส่วนการปรับอัตราส่วนความดันเพิ่มขึ้นทำให้การเพิ่มขึ้นของค่า PES น้อยที่สุดคือ 0.055%

การพัฒนากลไกข้อเข่าของขาเทียมที่สามารถงอเข่าได้ในช่วงเท้าสัมผัสพื้นขณะเดิน, สันติภาพ เพิงสงเคราะห์

Chulalongkorn University Theses and Dissertations (Chula ETD)

ในปัจจุบันกลไกข้อเข่าเทียมที่ผู้พิการในประเทศไทยใช้กันอย่างแพร่หลายคือกลไกหลายแกนหนุนชนิด 4 ข้อต่อ (four-bar linkage) เนื่องจากกลไกดังกล่าวมีเสถียรภาพที่ดีในการเดินแต่ไม่สามารถขอเข้าได้ในช่วงเท้าสัมผัสพื้นขณะเดิน (Stance flexion) ซึ่งการงอเข่าในช่วงเท้าสัมผัสพื้นได้เล็กน้อยในขณะเดินนั้นช่วยให้ผู้พิการลดพลังงานในการเดินเนื่องจากช่วยลดการเคลื่อนที่จุดศูนย์ถ่วงของร่างกายในแนวขึ้นลง โดยกลไกข้อเข่าหลายแกนหมุนที่สามารถงอเข่าได้เล็กน้อยในช่วงเท้าสัมผัสพื้นในท้องตลาดมีกลไกชิ้นส่วนหลักที่มากกว่า 5 ชิ้นขึ้นไป ส่งผลให้ยากในการควบคุมการร่วมศูนย์ในการประกอบ การผลิต และซ่อมบำรุง ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อทำการออกแบบ สร้างและทดสอบกลไกข้อเข่าของขาเทียมที่สามารถงอเข่าได้ในช่วงเท้าสัมผัสพื้นขณะเดิน ซึ่งงานวิจัยนี้ได้ทำการออกแบบโดยใช้กลไกหลักเพียง 2 ชิ้น แล้วสามารถงอได้เหมือนธรรมชาติในช่วงเท้าสัมผัสพื้นขณะเดิน โดยใช้วิธีที่กลไกสามารถหมุนได้ 2 ทิศทาง คือตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกา แต่กลไกเกิดการงอมาทางเดียวกันคือการพองอแบบเข่าคนปกติมาทางด้านหลังลำตัว โดยการออกแบบกลไก four-bar linkage ให้พับงอแต่ละแบบจากการออกแบบจุดหมุน ICZV ของกลไกให้สัมพันธ์กับทิศทางของแรงที่พื้นกระทำกับเท้า จากนั้นทำการแปลงกลไก four-bar linkage ให้เป็นกลไกแบบ Slot จนเหลือกลไกหลักเพียง 2 ชิ้น หลังจากนั้นทำการผลิตและทดสอบเดินจริงด้วยอุปกรณ์จำลองผู้พิการขาขาดสำหรับคนปกติแล้วได้ผลสรุปว่ากลไกสามารถเดินได้และมีมุมงอเข่าที่เหมือนธรรมชาติโดยในจังหวะที่เท้าสัมผัสพื้นมีมุมงอสูงสุดที่ 9.29 องศา โดยออกแบบไว้ที่ 10 องศาและในจังหวะที่ เท้าลอยพ้นพื้นมีมุมงอสูงสุดที่ 60 องศา ด้วยความเร็วในการเดินที่ 0.83 เมตรต่อวินาที แล้วทำการปรับปรุงกลไกเพื่อให้ผ่านการทดสอบความแข็งแรงตามแนวทางมาตรฐาน ISO 10328 โดยทำการเปลี่ยนเพลาจากเพลากลมเป็นเพลาที่สัมผัสไปกับพื้นผิวของร่อง Slot เพื่อลดความเค้นที่เกิดขึ้นบนร่อง Slot หลังจากการทดสอบวิธี Finite elements ด้วยโปรแกรม Ansys พบว่ากลไกดังกล่าวที่ถูกปรับปรุงใหม่สามารผ่านการทอดสอบความแข็งแรงตามแนวทางมาตรฐาน ISO 10328 สำหรับภาระแรงแบบ P4 สำหรับผู้พิการที่มีน้ำหนักน้อยกว่า 80 กิโลกรัมสามารถใช้งานได้อย่างปลอดภัย

Frontal Crash Analysis Of A Conformable Cng Tank Using Finite Element Analysis, Datta Sandesh Manjunath

Dissertations, Master's Theses and Master's Reports

The purpose of this study is to computationally model and analyze a Conformable Compressed Natural Gas (CNG) fuel tank for frontal crashes using Finite Element Analysis. Researchers have developed a CNG fuel tank, which is conformable, non-conventional and non-cylindrical. This tank increases cost efficiency, volumetric efficiency and cargo efficiency in CNG vehicle applications. A lightweight pickup truck (2015 Chevrolet Silverado) has been used to integrate the CNG tanks and field-testing has been conducted to demonstrate the application.

The report mainly focuses on the effective finite element modeling of the chassis, brackets and tanks using HYPERMESH and RADIOSS. The frontal crash …

Microstructural Analysis Of Thermoelastic Response, Nonlinear Creep, And Pervasive Cracking In Heterogeneous Materials, Alden C. Cook

Electronic Theses and Dissertations

This dissertation is concerned with the development of robust numerical solution procedures for the generalized micromechanical analysis of linear and nonlinear constitutive behavior in heterogeneous materials. Although the methods developed are applicable in many engineering, geological, and materials science fields, three main areas are explored in this work. First, a numerical methodology is presented for the thermomechanical analysis of heterogeneous materials with a special focus on real polycrystalline microstructures obtained using electron backscatter diffraction techniques. Asymptotic expansion homogenization and finite element analysis are employed for micromechanical analysis of polycrystalline materials. Effective thermoelastic properties of polycrystalline materials are determined and compared …

Finite Element Simulation Of Pzt-Aided Interrogation Of Composite Laminates Exhibiting Damage, Amany Micheal, Yehia Bahei-El-Din

Centre for Advanced Materials

Piezoelectricity has proved effective in capturing changes in structures caused by various damage mechanisms. In one approach, piezoelectric wafer active sensors (PWAS) are mounted on the surface of the host structure and utilized as both actuators and sensors to interrogate the structure and monitor its health. This is achieved by subjecting the PWAS to a transient electric pulse and reading the resulting voltage. Changes in the stiffness of the substrate due to structural damage affect the response of the PWAS, which could be correlated to integrity of the structure. Applying this technique to fibrous composite laminates encounters particular challenges due …

Cold Gas Dynamic Spray – Characterization Of Polymeric Deposition, Trenton Bush

Masters Theses

When a solid, ductile particle impacts a substrate at sufficient velocity, the resulting heat, pressure, and plastic deformation can produce bonding at the interface. The use of a supersonic gas flow to accelerate such particles is known as Cold Spray deposition. The Cold Spray process has been commercialized for some metallic materials, but further research is required to unlock the exciting material properties possible with polymeric compounds. In this work, a combined computational and experimental study a) simulated and optimized the nozzle flow conditions necessary to produce bonding in a polyethylene particle, b) developed and fabricated an experimental device, and …

Numerical Studies For Improving Fracture Toughness Resistance Curve Testing Using Single-Edge (Notched) Tension Specimens, Yifan Huang

Electronic Thesis and Dissertation Repository

The fracture toughness resistance curve, i.e. the J-integral resistance curve (J-R curve) or the crack tip opening displacement resistance (CTOD-R) curves, is widely used in the integrity assessment and strain-based design of energy pipelines with respect to planar defects (i.e. cracks). This thesis deals with issues related to the experimental determination of the J(CTOD)-R curves using the newly-developed single-edge (notched) tension (SE(T)) specimens. In the first study, the plastic geometry factor, i.e. the η_pl factor, used to evaluate J in a J-R curve test based on …

Experimental Building Demonstration Model With Viscous Fluid Dampers, Blake Thomas Reeve, Brianna Jean Kufa, Aden Malek Stepanians, Sophie Carmion Ratkovich

Architectural Engineering

The Architectural Engineering major places a heavy emphasis on structural dynamics and the role of wind and seismic loading in building analysis and design. Buildings of high importance that are critical to community function, such as hospitals, often utilize supplemental damping devices like supplemental viscous fluid dampers or base isolators to reduce the overall demands on the structural system. The design and analysis of these dampers are typically not taught at the undergraduate level, and is frequently performed by mechanical engineers, in lieu of structural engineers.

To better understand and research building behavior with supplemental damping devices, our multi-disciplinary team …

Multi-Axial Failure Of High-Performance Fiber During Transverse Impact, Matthew C. Hudspeth

Open Access Dissertations

The effect of projectile nose geometry on ensuing wave development in high-performance yarns is explored during single yarn transverse impact. Special attention has been placed on visualizing the immediate region around the projectile-yarn contact site for 0.30-cal round, 0.30-cal fragment simulation projectiles (FSP), and razor blades using high-speed imaging. Kevlar® KM2, Dyneema®SK76 and AuTx have been impacted at velocities ranging from ∼100 m/s to ∼1200 m/s depending on projectile nose shape, with an emphasis set on determining the critical velocity wherein below said velocity significant development of wave propagation occurs and above said velocity the yarn fails immediately upon impact. …

Investigation Of A Numerical Algorithm For A Discretized Rubber-Belt Continuously Variable Transmission Dynamic Model And Techniques For The Measurement Of Belt Material Properties., Brian Gene Ballew

Graduate Theses and Dissertations

A numerical algorithm for modeling the dynamic response of a rubber-belt Continuously Variable Transmission (CVT) belt is recreated. The numerical attributes applied to the algorithm and difficulties with numerical stability are discussed in detail. The degrees of freedom of the system have been expanded to include the dynamics of the engine torque output and vehicle loads such as rolling resistance and aerodynamic drag. This was done to emphasize the use of the model as an analysis tool for simulating CVT/engine/vehicle response. The increased degrees of freedom require the addition of a linear dampening element between belt nodes to dampen resonance …

Development Of A Two-Fluid Drag Law For Clustered Particles Using Direct Numerical Simulation And Validation Through Experiments, Ahmadreza Abbasi Baharanchi

FIU Electronic Theses and Dissertations

This dissertation focused on development and utilization of numerical and experimental approaches to improve the CFD modeling of fluidization flow of cohesive micron size particles. The specific objectives of this research were: (1) Developing a cluster prediction mechanism applicable to Two-Fluid Modeling (TFM) of gas-solid systems (2) Developing more accurate drag models for Two-Fluid Modeling (TFM) of gas-solid fluidization flow with the presence of cohesive interparticle forces (3) using the developed model to explore the improvement of accuracy of TFM in simulation of fluidization flow of cohesive powders (4) Understanding the causes and influential factor which led to improvements and …

Electromechanical Coupling Behavior Of Dielectric Elastomer Transducers, Jianyou Zhou

Electronic Thesis and Dissertation Repository

Dielectric elastomer transducers with large deformation, high energy output, light weight and low cost have been drawing great interest from both the research and industry communities, and shown potential for versatile applications in biomimetics, dynamics, robotics and energy harvesting. However, in addition to multiple failure modes such as electrical breakdown, electromechanical instability, loss-of-tension and fatigue, the performance of dielectric elastomer transducers are also strongly influenced by the hyperelastic and viscoelastic properties of the material. Also, the interplay among these material properties and the failure modes is rather difficult to predict. Therefore, in order to provide guidelines for the optimal design …

Analytical And Numerical Analysis Of Low Velocity Impact On Metallic Sandwich Panel With Polyurethane Foam Core, Mohsen Mahdian, Hossein Ebrahimi

Hossein Ebrahimi

No abstract provided.

Traction-Separation Relationships For Hydrogen-Induced Grain Boundary Embrittlement In Nickel Via Molecular Dynamics Simulations, Wesley Allen Barrows

Graduate Theses and Dissertations

The deleterious effects of atomic and molecular hydrogen on the mechanical properties of metals have long been observed. Although several theories exist describing the mechanisms by which hydrogen negatively influences the failure of materials, a consensus has yet to be reached regarding the exact mechanism or combination of mechanisms. Two mechanisms have gained support in explaining hydrogen’s degradative role in non-hydride forming metals: hydrogen-enhanced localized plasticity and hydrogen-enhanced decohesion. Yet, the interplay between these mechanisms and microstructure in metallic materials has not been explained. Accordingly, for this thesis, the three main objectives are: (i) to develop a numerical methodology to …

Energy Selective Neutron Imaging For The Characterization Of Polycrystalline Materials, Robin Woracek

Doctoral Dissertations

This multipart dissertation focuses on the development and evaluation of advanced methods for material testing and characterization using neutron diffraction and imaging techniques. A major focus is on exploiting diffraction contrast in energy selective neutron imaging (often referred to as Bragg edge imaging) for strain and phase mapping of crystalline materials. The dissertation also evaluates the use of neutron diffraction to study the effect of multi-axial loading, in particular the role of applying directly shear strains from the application of torsion. A portable tension-torsion-tomography loading system has been developed for in-situ measurements and integrated at major user facilities around the …

Effects Of Temperature Change On Interfacial Delamination In Thermal Barrier Coatings, Hossein Ebrahimi, Soheil Nakhodchi

Hossein Ebrahimi

No abstract provided.

High Temperature Flow Solver For Aerothermodynamics Problems, Huaibao Zhang

Theses and Dissertations--Mechanical Engineering

A weakly ionized hypersonic flow solver for the simulation of reentry flow is firstly developed at the University of Kentucky. This code is the fluid dynamics module of known as Kentucky Aerothermodynamics and Thermal Response System (KATS). The solver uses a second-order finite volume approach to solve the laminar Navier– Stokes equations, species mass conservation and energy balance equations for flow in chemical and thermal non-equilibrium state, and a fully implicit first-order backward Euler method for the time integration. The hypersonic flow solver is then extended to account for very low Mach number flow using the preconditioning and switch of …

Influence Of Spatial Variations Of Railroad Track Stiffness And Material Inclusions On Fatigue Life, Celestin Nkundineza

Department of Mechanical and Materials Engineering: Dissertations, Theses, and Student Research

Railroad transportation is very important for economic growth and effective maintenance is one critical factor for its economic sustainability. The high repetitive forces from a moving railcar induce cyclic stresses that lead to rail bending and potential deterioration due to fatigue crack initiation and propagation. Previous research for prediction of fatigue life has been done under the assumptions of a uniform track bed and a homogeneous rail. However the spatial variation of the track stiffness is expected to increase the maximum stresses in the rail and, therefore, accelerate the fatigue process. The research described in this dissertation is focused on …

Mechanistic Failure Criterion For Unidirectional And Random Fibre Polymer Composites, Jamaloddin Jamali

Electronic Thesis and Dissertation Repository

Polymer composite design in energy absorbing components requires a failure criterion that can predict the energy involved in its fracture under different modes of loading. Present mixed mode criteria are mainly empirical or semi-empirical, and are only suitable for a small range of composite types.

The purpose of this study was to develop a mechanistic failure criterion that is applicable to a wide range of polymer composites. An energy based mechanistic failure criterion is proposed to characterize the toughness of unidirectional (UD) and randomly oriented short fibre composites (random fibre composites).

In UD and random composites, the criterion predicts the …

Modification Of A Draw Bar Type Arena Harrow To Three Point Mounted Type Harrow, Clayton Alan Brown

BioResource and Agricultural Engineering

This senior project will be the design, and construction of a three point hitch to be attached to a draw bar type spike tooth harrow. Currently used by the Cal Poly Rodeo Team to cultivate their arena before performances, and practices.

The attachment will allow the harrow to be pulled in both directions to create different types of soil affects.

Also the fabrications has a minimal budget so the majority of the materials will be scrap material already in position of the rodeo team or donated to the project.

Lightweight Uav Launcher, Ben Miller, Christian Valoria, Corinne Warnock, Jake Coutlee

Mechanical Engineering

This report discusses the design, construction, and testing of a lightweight, portable UAV launcher. There is a current need for a small team of soldiers to launch a US Marine Tier II UAV in a remote location without transport. Research was conducted into existing UAV launcher designs and the pros and cons of each were recorded. This research served as a basis for concept generation during the initial design development stage. It was required that the design weigh less than 110 lbs, occupy a smaller volume than 48" x 24" 18" in its collapsed state, be portable by a single …

Kolsky Bar Experiment For High-Rate Large Deformations Of Polycarbonate, Jason Gerald Vogeler

Department of Engineering Mechanics: Dissertations, Theses, and Student Research

Polycarbonate (PC) is a tough, transparent engineering thermoplastic. Its impact strength and ability undergo large plastic deformations without shatter make PC an ideal protective material for impact-resilient eyewear, aircraft windows and transparent armor. A good understanding of the response of this material to large deformations at high strain rates is critical for its utilization in these applications. To this end, a striker-less Kolsky bar device is employed in this work for the needed material characterization. The apparatus allow impulsive torsion and/or compression loadings with pulse durations sufficiently long for the plastic flow behavior to develop fully. Three new testing techniques …

Impact Damage On A Thin Glass Plate With A Thin Polycarbonate Backing, Wenke Hu, Yenan Wang, Jian Yu, Chian-Fong Yen, Florin Bobaru

Florin Bobaru Ph.D.

We present experimental and computational results for the impact of a spherical projectile on a thin glass plate with a thin polycarbonate backing plate, restrained in a metal frame, or in the absence of the frame. We analyze the dependence of the damage patterns in the glass plate on the increasing impact velocities, from 61 m/s to 200 m/s. Experimental results are compared with those from peridynamic simulations of a simplified model. The main fracture patterns observed experimentally are captured by the peridynamic model for each of the three projectile velocities tested. More accurate implementation of the actual boundary conditions …

Numerical Modeling Of Solidification Process And Prediction Of Mechanical Properties In Magnesium Alloys, Mehdi Farrokhnejad

Electronic Thesis and Dissertation Repository

A formulation used to simulate the solidification process of magnesium alloys is developed based upon the volume averaged finite volume method on unstructured collocated grids. To derive equations, a non-zero volume fraction gradient has been considered and resulting additional terms are well reasoned. For discretization the most modern approximations for gradient and hessians are used and novelties outlined. Structure-properties correlations are incorporated into the in-house code and the proposed formulation is tested for a wedge-shaped magnesium alloy casting. While the results of this study show a good agreement with the experimental data, it was concluded that a better understanding of …

The Formulation And Computation Of The Nonlocal J-Integral In Bond-Based Peridynamics, Wenke Hu, Youn Doh Ha, Florin Bobaru, Stewart A. Silling

Florin Bobaru Ph.D.

This work presents a rigorous derivation for the formulation of the J-integral in bond-based peridynamics using the crack infinitesimal virtual extension approach. We give a detailed description of an algorithm for computing this nonlocal version of the J-integral.We present convergence studies (m-convergence and δ-convergence) for two different geometries: a single edge-notch configuration and a double edge-notch sample.We compare the results with results based on the classical J-integral and obtained from FEM calculations that employ special elements near the crack tip.We identify the size of the nonlocal region for which the peridynamic J-integral value is near the classical FEM solutions.We discuss …

The Meaning, Selection, And Use Of The Peridynamic Horizon And Its Relation To Crack Branching In Brittle Materials, Florin Bobaru, Wenke Hu

Florin Bobaru Ph.D.

This note discusses the peridynamic horizon (the nonlocal region around a material point), its role, and practical use in modeling. The objective is to eliminate some misunderstandings and misconceptions regarding the peridynamic horizon. An example of crack branching in a nominally brittle material (homalite) is addressed and we show that crack branching takes place without wave interaction. We explain under what conditions the crack propagation speed depends on the horizon size and the role of incident stress waves on this speed.

Convergence, Adaptive Refinement, And Scaling In 1d Peridynamics, Florin Bobaru Ph.D., Mijia Yabg Ph.D., Leonardo F. Alves M.S., Stewart A. Silling Ph.D., Ebrahim Askari Ph.D., Jifeng Xu Ph.D.

Florin Bobaru Ph.D.

We introduce here adaptive refinement algorithms for the non-local method peridynamics, which was proposed (in J. Mech. Phys. Solids 2000; 48:175–209) as a reformulation of classical elasticity for discontinuities and long-range forces. We use scaling of the micromodulus and horizon and discuss the particular features of adaptivity in peridynamics for which multiscale modeling and grid refinement are closely connected. We discuss three types of numerical convergence for peridynamics and obtain uniform convergence to the classical solutions of static and dynamic elasticity problems in 1D in the limit of the horizon going to zero. Continuous micromoduli lead to optimal rates of …

Influence Of Van Der Waals Forces On Increasing The Strength And Toughness In Dynamic Fracture Of Nanofibre Networks: A Peridynamic Approach, Florin Bobaru Ph.D.

Florin Bobaru Ph.D.

The peridynamic method is used here to analyse the effect of van der Waals forces on the mechanical behaviour and strength and toughness properties of three-dimensional nanofibre networks under imposed stretch deformation. The peridynamic formulation allows for a natural inclusion of long-range forces (such as van der Waals forces) by considering all interactions as ‘long-range’. We use van der Waals interactions only between different fibres and do not need to model individual atoms. Fracture is introduced at the microstructural (peridynamic bond) level for the microelastic type bonds, while van der Waals bonds can reform at any time. We conduct statistical …