Friction dynamics of adhesive fibrillar contact
Adeziv fibrilli kontağın sürtünme dinamiği
- Tez No: 472848
- Danışmanlar: DOÇ. DR. İLKER MURAT KOÇ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 175
Özet
Günümüzde, birbiri ile temas eden yüzeylerin en az birini modifiye ederek kontak değişkenlerini (sürtünme kuvveti, aşınma vb.) ayarlamak mümkün olmaktadır. Bu kapsamda, yüzey desenleme işlemi kontak halinde bulunan iki cisimden herhangi birisinin yüzeyinde, ayrı bir malzeme ya da kendi malzemesi ile farklı geometrilere sahip yapı ekleme, çıkarma işlemleri ile gerçekleştirilir. Bu şekilde, yumuşak (düşük elastiklik modülüne sahip) malzemelerle oluşturulan elastik kuru katı-katı kontaklarda yüzey desenleme işlemi, kontak değişkenlerinin artırılması yönünde, örnek olarak adezyon kuvvetinin arttırılması, şeklinde karşımıza çıkmaktadır. Elastik kuru katı-katı kontaklarda, yüzey desenleme işlemi elastik cisim yüzeyinde küçük boyutlarda genellikle doğadan esinlenen visko-elastik malzemelerden imal edilen silindir şeklinde ve farklı uç tasarımlarına sahip, pillar diye adlandırılacak olan, yapılar kullanılarak gerçekleştirilir. Bu tezde, doğadan esinlenen, genellikle visko-elastik malzemelerden (polimer, elastomer vb.) üretilen silindirik geometrisine sahip pillarların sürtünme dinamiği karakterizasyonu gerçekleştirilerek, imalat aşamasından önce pilların pürüzsüz düz bir yüzeyde hareketi sırasında ortaya çıkacak sürtünme kuvvetinin tahmin edilmesine yönelik formülasyon sağlanmıştır. Bu kapsamda, karşıt pürüzsüz bir yüzey ile kontakta bulunan elastomerik pilların sürtünme dinamiği analitik, nümerik ve deneysel olarak mezo ölçekte incelenmiştir. Pillarlar ve karşıt yüzey arasındaki sürtünme, sabit bir hızla ya da bazı frekanslarda harmonik uyarımda bulunarak pillarlara karşıt yüzeye göre yanal yönde bir hareket sağlanması ile elde edilir. Sürtünme kuvveti-yer değiştirme histerisiz diyagramı ile pillarların sürtünme dinamiği analiz edilmiştir. Bu histerisiz diyagramından sürtünme nedeni ile ortaya çıkan kayıp enerji elde edilmektedir. Pillarların sürtünme dinamiği, iki farklı etkinin katkıları bazında incelenmiştir: 1- pillarların konstrüktif boyutsal etkisi, örnek olarak pillar çapı ya da yüksekliği; ve 2- kontak yükleme koşullarının etkisi, örnek olarak normal kuvvet altında sabit hızda kayma durumu ya da bazı frekanslarda harmonik tahrik durumu, şeklindedir. Pillarların karşıt yüzey ile arasındaki sürtünmenin sabit hız girdisi ile elde edilmesi durumunda, sürtünme-yer değiştirme histerisiz diyagramı elde etmek için farklı hızlarla, pillarlar pürüzsüz yüzey üzerinde iki yönde hareket ettirilmiştir. İlk olarak bir yönde, ileri yön diye adlandırılacak, pillarlar hareket ettirildikten sonra, ileri yönün tersi yönde pillarlar ileri hareketteki aynı hızla tekrar hareket ettirilirler. Bunun neticesinde, sürtünme kuvvet değeri ileri yönde pozitif iken, geri yönde negatif olacaktır. Bununla, sürtünme-yer değiştirme histerisiz diyagramı elde edilir. Burada, pillarların pürüzsüz yüzey üzerindeki kayma hızları 0,05 mm/sn ile 1 mm/sn aralığında, ve 0,05 mm/sn hız artırımında seçilmiştir. Ön yükleme değeri ise Euler burkulma kuvvetinin altında seçilmiştir. Tek bir pilların konstruktif özelliklerinin sürtünme dinamiğine etkisi, farklı konstrüksiyonlarda imal edilen tekil pillarları içeren üç set içinde incelenmiştir. İlk sette, aynı çap ve farklı yükseklikte üç adet pillar kullanılmıştır. İkinci sette de, aynı yükseklik ve farklı çap konfigürasyonundaki pillarlar kullanılmıştır. Son sette ise, pillar boyunun pilların çapına oranı sabit olacak şekilde, üç adet farklı boy ve çaplarda pillar kullanılmıştır. Deneysel sonuçlardan bulunduğu üzere, kinetik sürtünme kuvvet değeri, pillar çapı artımında ya da pillar yükseklinin azaltılması durumunda, artmıştır. Kinetik sürtünme kuvvet değerindeki artış, pillarların yüksek eğilme rijidliği ve buna istinaden meydana gelen yüksek elastik şekil değişim enerjisi ile ilgilidir. Kayma hızının artması durumunda ise, kinetik sürtünme kuvvet değerinde artış gözlemlenmiştir. Bu da, elastomerik pillarların visko-elastik davranışını göstermiştir. Tezde, elastomerik pillarların sabit hız ile pürüzsüz yüzey üzerinde kayma sırasında ortaya çıkan sürtünme kuvvet değeri iki yöntem ile hesaplanarak tahmin edilmiştir. Birinci yöntemde, pillar ile karşıt yüzey arasındaki kayma hareketi sırasında, pillar ve kontak ara yüzündeki enerji dengesi oluşturularak, sürtünme kuvvetinin değeri hesaplanmıştır. Burada, kayma davranışının kinematiği, ve pillar ve kontak ara yüzündeki bütün enerji bileşenleri tanımlanmıştır. Bu enerjiler, pilların kayma hareketi sırasında, sistemde normal kuvvet nedeni ile oluşan mekanik enerji, pilların elastik şekil değişim ve kinetik enerjisi, pilların yüzeyden ayrılması için gerekli yüzey enerjisi ve kayıp enerji şeklindedir. Sürtünme kuvveti değeri, bu kayıp enerjiden hesaplanmış ve bu yöntem ile hesaplanan sürtünme kuvvet değerleri deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Enerji denge yaklaşımı kullanılarak tahmin edilen kinetik sürtünme kuvveti değeri ile deneysel elde edilen sürtünme kuvvet değeri arasındaki bağıl hata, ön yükleme değerinin Euler kritik burkulma kuvvet büyüklüğüne yakın değerlerinde, %10' a kadar düşmüştür. İkinci yöntemde ise pilların, yüzey üzerindeki kayma sırasındaki olayı yönlendirecek hareket denklemi yazılmıştır. Bunun için, pilların hareketi, tek serbestlik dereceli bir sistem olarak modellenmiş ve bu sistemi içeren bileşenler kütle, elastik ve sönüm elemanları kullanılarak oluşturulmuştur. Model de kontak etkisi, karşıt yüzeye göre normal ve yanal yönde birbirinden bağımsız elastik bileşenler ile ifade edilmiştir. Bu modelde, farklı boyutlardaki pilların farklı ön yükleme durumundaki sürtünme kuvvet değeri sayısal olarak hesaplanmıştır. Modelin sürtünme kuvvet değeri hesaplama sonuçları deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucu elde edilen bağıl hatalar, pillarların konstruktik özelliklerine ve kontak yükleme koşullarına bağlı olarak elde edilmiştir. Bu sonuçlardan görüleceği üzere, modelin sürtünme kuvveti büyüklüğü hesabının doğruluğu, pillar boyutlarına bağlı olmakla beraber, %95'e varan benzeşim oranı en yüksek pillarda ve Euler kritik burkulma kuvvetine yakın bir ön yükleme ile oluşturulmuş kontak için yüksek hızlarda elde edilmiştir. Düzgün ve pürüzsüz yüzeyde farklı ön yükleme kuvvetleri ile farklı hızlarda kaydırılan küresel uca sahip pillarların, sürtünme kuvvet değerinin elde edilmesi gerçekleştirilmiş olup; küresel uç nedeni ile kayma sırasında, bir miktar da yuvarlanma olduğu gözlemlenmiştir. Bu nedenle, harmonik yükleme altında düz uca sahip bir pillar kullanılmıştır. Buradaki asıl amaç, sürtünme kuvvetine pilların doğal frekansı ve o frekansta oluşan tabii mod şeklinin katkısının olup olmadığı, oluyorsa ne kadar olacağının incelenmesidir. Bu nedenle, bir adet pillar harmonik olarak temelden farklı frekanslarda tahrik edilmiştir. Burada, tahrik sırasında pillara uygulanan tahrik kuvvetinin aynı olması sağlanmıştır. Bunun için, temelden uygulanan harmonik tahrikin, bütün tahrik frekanslarında aynı maksimum ivmeye sahip olması sağlanmıştır ve bu sayede tahrik kuvveti bütün frekanslarda aynı olduğu kabul edilmiştir. Tahrik frekansları ise pilların bir ucu ankastre diğer ucu da serbest durumdaki eğilme titreşimi 1. doğal frekansını da içermektedir. Her bir tahrik frekansında ortaya çıkacak olan pilların sürtünme dinamiğin karşılaştırılabilmesi için, pilların tahriki boyunca statik rejimde kalmasını sağlayacak maksimum ivme değeri seçilmiştir. Bu sayede, bütün tahrik frekanslarında tamamen kayma durumundan ziyade, statik durumdaki sürtünme-yapışma karakteristiği çıkarılması hedeflenmiştir. Pilların, harmonik temel tahriki altında meydana getirdiği elastik şekil değişimi farklı harmonik yer değiştirme girdileri için tartışılmıştır. Ayrıca, pilların bu elastik şekil değişim davranışı sabit hız girdi durumundaki davranışı ile karşılaştırmak için, aynı ön yükleme koşullarında fakat sabit hız girdisi altındaki davranışı da incelenmiştir. Burada, sadece elastik şekil değişim davranışı ilgilenilmiş, sürtünme kuvvet değerleri vb. kontak kuvvetlerine bakılmamıştır. Pilların, kontak ara yüzündeki adezyon mekanizmasındaki adezyon enerjisi, kontak ara yüzünde enerji dengesi kurularak tahmin edilmiş ve bu değerler literatür verileri ile karşılaştırılmıştır. Deneysel sonuçlardan bulunduğu üzere, pilların harmonik temel tahriki altındaki sürtünme dinamiği ve elastik şekil değişim davranışı, sabit hız girdisi altındaki davranış ile benzediği gözlemlenmiştir. Kontak ara yüzündeki adezyon miktarının frekans ile değişim eğrisi, tahrik frekansı ve bununla ilişkili temeldeki harmonik yer değiştirme miktarının dikkatle seçilmesi ile ayarlanabileceğini göstermektedir. Tek ve farklı boyutlara sahip pillarların sabit hız girdisi altındaki incelenmiş kinetik sürtünme kuvvet değeri iki yöntem ile hesaplanmıştır. Harmonik olarak temelden tahrik durumundaki pillar sürtünme altındaki elastik şekil değişim davranışının, sabit hız girdisi gibi olduğu gözlemlendiğinden, aynı hesaplamaların da uygulanabileceği varsayımı yapılmıştır. Bu varsayım, pilların 1. tabii modun sürtünme dinamiğine etkisinin olmadığı sonucuna dayanmaktadır. Hesaplanan sonuçlarda bağıl hatalar \%5'e kadar düşmüştür. Bunun haricinde, sürtünme kuvvet değerine etki eden pillarların çap ve boy harici konstrüktif etmenlerde vardır. Bunlar, birden fazla pilları içeren pillar dizisinde, farklı sayıda pillar kullanılması ya da destek katmanı üzerinde iki pillar arasındaki yerleşim uzaklığıdır. Bu kapsamda, kinetik sürtünme kuvvet hesaplaması için oluşturulacak formülasyonda bu etmenleri de göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Bunun için, iki set halinde beş adet pillar dizisi, toplam on adet pillar dizisi kullanılmıştır. Bu setlerdeki tek bir pilların çapı ve yüksekliği sırasıyla 1 mm ve 3 mm'dir. Kullanılan pillarlar düz uca sahip olup; bu setlerde, kinetik sürtünme kuvvet değerine farklı pillar sayılarının ve iki pillar arasındaki farklı uzaklıkların etkisi ayrı ayrı incelenmiştir. İlk sette, iki pillar arasındaki uzaklık aynı olmak kaydı ile farklı pillar sayılarına sahip beş pillar dizisi kullanılmıştır. Burada kullanılan pillar dizinindeki pillar sayıları 16, 64, 144, 256 ve 400 şeklindedir. İkinci sette ise, bir pillar dizisinde 144 pilllara sahip beş adet pillar dizininde iki pillar arasındaki uzaklıklar değiştirilerek, pillar arası uzaklığın etkisi irdelenmiştir. İki pillar arasındaki uzaklık değeri pilların çapına göre seçilmiştir. Bu iki etki, şu şekilde incelenmiştir. 1. olarak her bit setteki pillar dizinlerinin kinetik sürtünme kuvveti büyüklüğü, kendi set içerindeki en yüksek kinetik sürtünme kuvvet değerine göre normalize edilmiştir. 2. olarak da her bir setteki pillar dizinlerinin kinetik sürtünme kuvveti büyüklüğüne pillarların visko-elastik davranıştan dolayı hız etkisini ihmal edebilmek için, setlerdeki normalize edilen kinetik sürtünme kuvvet değerlerinin ortalaması alınmıştır. Bununla beraber, normalize edilen ve ortalaması alınan bu kinetik sürtünme kuvvet değerleri kullanılarak, Matlab Eğri Uydurma Programı ile pillar sayısı ve iki pillar arası farklı uzaklık etkiler temelli iki formül oluşturulmuştur. Ayrıca, her bir setteki elde edilen kinetik sürtünme kuvveti büyüklükleri, iki sette bulunan ortak pillar dizini sonuçlarına göre normalize edilmiştir. Bu sayede, kinetik sürtünme kuvvetinin pillar yoğunluğuna göre değişiminin bulunması hedeflenmiştir. Bunun neticesinde, kinetik sürtünme kuvvetinin pillar yoğunluğuna bağlı olarak Matlab Eğri Uydurma Programı kullanılarak formülasyonu elde edilmiştir. Sonuçlardan görüleceği üzere, pillar sayısı ya da iki pillar arasındaki uzaklık azaltıldığında ve bunun neticesinde pilların yoğunluğu arttırılırsa, tek bir pillara düşen kinetik sürtünme kuvveti büyüklüğü artmıştır. Bu artış, pillar dizinindeki pillar yoğunluğunun artışına bağlıdır. Buradan, farklı pillar dizini konfigürasyonuna dayanan üç formül türetilmiştir. Hedef, pillar dizininin imal edilmesinden önce, pürüzsüz bir yüzey üzerinde kayarken ki ortalama bir kinetik sürtünme kuvveti büyüklüğünü tahmin etmektir. Buradaki temel eksiklik, tek bir pilların kinetik sürtünme kuvvet değerinin bilinmesi gerekmektedir. Bu değer, tezin ilk kısımlarındaki hem enerji dengesi yaklaşımı hem de hareket denklemi kurularaktan oluşturulan modellerin kullanılması ile elde edilebilir.
Özet (Çeviri)
Nowadays, it is possible to adjust contact variables (friction force, wear, etc.) by modifying at least one of the contacting surfaces, that is known as surface texturing. The surface texturing is carried out by adding or subtracting structures on the surface of any of the two surfaces in contact, with an another material or with its own material. In this way, the surface texturing in a soft dry solid-solid contact formed with soft (low elastic modulus) materials is confronted as increasing contact forces, for example, increasing the adhesive strength. In a soft dry solids-solid contact, the surface texturing is carried out with the formed mechanical structures which are primarily inspired from nature, generally, in a cylindrical shape which will be referred as a pillar, are usually made up with various visco-elastic materials. In this thesis, characterization of frictional dynamics of elastomeric pillar which is mainly inspired from nature is performed. In this way, an empiric formula to estimate friction force magnitudes of elastomeric pillars in contact with a smooth surface is proposed. In order to obtain the formulas, the frictional dynamics of elastomeric pillar is studied analytically, numerically, and experimentally in meso-scale. The friction between the pillars and the counter surface is obtained by applying a tangential motion to the pillars either with a constant velocity or with some frequency component in a harmonic excitation. The frictional dynamics are analyzed using the friction force-displacement loops which reveal the transition from stick to sliding regime, effective stiffness and dissipative energy due to the presence of friction. Two different effects on the frictional dynamics of pillars are examined, which are constructional effect of pillars such as diameter and height, and contact loading conditions such as preload, sliding velocity or excitation frequency in a harmonic loading. In the constant velocity loading, the pillars are slid on the smooth surface with various constant velocities in back and forth motions to obtain the friction force-displacement loop. The sliding velocities are in the range of 0.05 mm/s to 1 mm/s with an incremental value of 0.05 mm/s. Different pillar constructional configuration is realized in three sets, in which there are three pillars in the each set. In the first set, pillars with different height and same diameter are manufactured. In the second set, this time pillars have different diameter but same height. In the third set, ratio of pillar height to pillar diameter is kept same. Increasing the diameter or decreasing the height of pillar increases the kinetic friction force while the increase in kinetic friction force is related to higher elastic deformation energy due to higher flexural stiffness. As the sliding velocity becomes higher, the kinetic friction force and related frictional dissipative energy increase which reveals the contribution of visco-elastic behavior of pillar. Two different methodologies are evaluated to calculate the kinetic friction force magnitude of a single pillar with different dimension sliding on the surface. Those are establishing energy equilibrium at the contact interface, and modeling the behavior of pillar as a single-degree-of-freedom lumped system. In the first one, an energy balance at the contact interface is established to analyze the static and kinetic friction regime. The kinematics of sliding behavior of a pillar as well as the components of the total energy at the contact interface are identified. The kinetic friction force magnitude is estimated using the dissipative energy in the friction force-displacement loop, and validation of the estimated kinetic friction force magnitudes is accomplished by comparing with the experimental results. The relative error of the kinetic friction force estimation by using energy equilibrium approach is up to %10 under the preload with a magnitude of greater than the half of the Euler buckling load. In the second one, an approximate analytical model for the sliding motion of a single pillar on the smooth surface is built. The model is realized in frictional response of a visco-elastic pillar with hemispherical tip. The sliding motion of a pillar is described as a single-degree-of-freedom lumped parameter system, where the model is built with discrete stiffness and damping components representing the pillar dynamics and contact interaction in normal and tangential directions. The verification and limitation of the model are determined for different pillar dimension and contact loading conditions such as varying preload and sliding constant velocities. The results demonstrate that the accuracy of the model in realizing kinetic friction force magnitude is dependent on the pillar dimension, with the greatest accuracy being %95 obtained for the highest pillar under preload value close to the Euler buckling load at higher sliding velocities. The friction force of a single pillar with flat-punch tip geometry in contact with a smooth surface is examined under harmonic loading condition. The harmonic loading conditions are comprised of harmonic base excitation with various excitation frequencies which also contains the first natural frequency of the pillar in bending vibrational mode. Maximum acceleration magnitude of the harmonic base excitation is realized that the pillar stays in stick regime during the contact, where constant base acceleration magnitude is attained for each excitation frequency. The tilting behavior of the pillar in stick regime for different harmonic base displacements is discussed. Frictional-adhesion coupling of the pillar is analyzed by calculating apparent work of adhesion via establishing energy equilibrium at the contact interface. The tilting behavior reveals that the frictional response in terms of elastic deformation shape of the pillar under harmonic base excitation is similar to the results of where the pillar is slid on a surface with a constant velocity. The results demonstrate that the frictional-adhesion coupling interface of the contact may be tuned via a harmonic loading condition by carefully selecting excitation frequency and related harmonic base displacement. The kinetic friction force of a pillar array is investigated experimentally to be used as a basis for generating an empiric formulation to calculate kinetic friction force of a pillar array. Five pillar arrays in two sets, total ten pillar arrays are used. Diameter and height of a single pillar with a flat-punch tip in the sets are 1 mm and 3 mm, respectively. In these sets, the effect of different pillar number and different spacing between two pillars are examined, separately. In the first set, five pillar arrays with different pillar number, and same spacing between two pillars are used; which consists of 16, 64, 144, 256 and 400 pillars. In the second set, the pillar array with 144 pillars and various spacing between two pillars is used. The spacing displacements between two pillars are selected according to the diameter of a pillar. The two effects are separately investigated by normalizing the kinetic friction force magnitudes to the highest one in the each set and averaging the normalized kinetic friction force magnitudes for neglecting the velocity effect. By using the normalized kinetic friction force magnitudes, two formulas based on the two effects are generated by using Matlab Curve Fitting Toolbox. Furthermore, by normalizing the kinetic friction force magnitudes of all the pillar arrays to the results of the common pillar array, pillar density effect on the kinetic friction force magnitude is determined. A simple formula to estimate kinetic friction force magnitude based on pillar density is generated. The results demonstrate that as the pillar number decreases or spacing between two pillar decreases, and thus pillar density increases, the kinetic friction force magnitude of a single pillar increases. The three formulas based on different pillar array configuration can be used to estimate average kinetic friction force magnitude of a pillar array while sliding on a smooth surface before manufacturing process if the kinetic friction force magnitude of a single pillar is known. The kinetic friction force magnitude of a single pillar can be calculated by using the two methods discussed in the thesis. These are establishing energy balance at the contact interface, and solving the governing equation of motion of the pillar with contact interaction.
Benzer Tezler
- Çamaşır makinesi körüğünün dinamik özelliklerinin belirlenmesi ve makinenin dinamiğine etkisi
Determination of washing machine gasket characteristics and its effect on machine dynamics
MERVE EMEKSİZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK
- Al 6061 T6 malzemenin çeşitli polimerlere karşı tribolojik davranışlarının araştırılması
Investigation of the tribological behavior of Al 6061 T6 material against various polymers
ERKMEN ÖZGÜZEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HACI ABDULLAH TAŞDEMİR
- Metal infiltre edilmiş mikro poroz karbon kompozitlerin aşınma ve sürtünme davranışının karakterizasyonu
Başlık çevirisi yok
GÜLTEKİN GÖLLER
Doktora
Türkçe
1997
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADNAN TEKİN
- TİN kaplama parametrelerinin aşınma davranışı üzerindeki etkisi
The Effect of coating parameters on the wear behaviour of TİN
OĞUZ AKKAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. E. SABRİ KAYALI
