Tribologische Untersuchungen am Förderzahnriemen

Zahnriemenfördersysteme haben auf Grund ihrer wirtschaftlichen und technischen Vorteile beim Transport von Stückgütern ein breites Anwendungsfeld in den unterschiedlichen Bereichen der Industrie gefunden und gewinnen weiterhin an Bedeutung. Die Auslegung der Systeme beschränkt sich gegenwärtig im Wesentlichen auf die Zugstrang- und die Zahnfußfestigkeit des Zahnriemens. Grundlagen der Berechnungen sind oft recht vage Aussagen zur Höhe des Reibwertes zwischen dem Zahnriemen und dessen Stützschiene. Die Erhöhung der Kontakttemperatur durch die eingebrachte Reibleistung wird meist völlig vernachlässigt. In der Praxis wird oftmals auf Erfahrungswerte zurückgegriffen, wobei die Gefahr der Über- bzw. Unterdimensionierung mit erheblichen Auswirkungen auf die Lebensdauer, das Verschleißverhalten und die Betriebssicherheit besteht. 1. Anwendung von Zahnriemenförderern Das Einsatzgebiet der Zahnriemen ist neben der Antriebstechnik in zunehmendem Maße die Fördertechnik, wo diese als Zug- und Tragmittel für den Stückguttransport zur Anwendung kommen. Der Grund dieser Entwicklung lässt sich mit den günstigen Eigenschaften dieser Maschinenelemente erklären. Besonders zu erwähnen sind dabei der geräuscharme Lauf, die geringe Masse und die niedrigen Kosten in Anschaffung und Wartung. Der synchrone Lauf, der mit Zahnriemen wie auch mit Förderketten realisierbar ist, ist ein weiterer wesentlicher Vorteil. Dabei übernehmen die robusten Förderketten den Bereich der Fördertechnik, in dem große Kräfte übertragen werden müssen und stark schmutzintensive Umgebungsbedingungen vorherrschen. Haupteinsatzgebiete der Zahnriemenförderer ist der Bereich der empfindlicheren Güter mit relativ geringen Massen, wobei sich immer mehr abzeichnet, dass auch Einsatzgebiete mit schweren Werkzeugträgern erschlossen werden. Die Transportzahnriemen müssen bei dem Einsatz zahnseitig abgestützt werden, um die Gutmasse aufnehmen zu können. Stückgüter können von Zahnriemen durch Kraft- oder Formschluss transportiert werden. Der Einsatz ist von den technologischen Erfordernissen und der Art des Transportgutes abhängig. Formschluss wird meist über aufgeschweißte Formelemente / Mitnehmer realisiert. Diese Art des Transportes wird verwendet, wenn Teile: • vereinzelt, • genau positioniert, ������ zeitlich exakt getaktet, • über starke Steigungen bis hin zum vertikalen transportiert werden müssen, • bzw. sich gegenseitig nicht berühren dürfen. Abbildung 1: Formschlüssiger Transport mit aufgeschweißten Formelementen Die Art und die Form des auf dem Zahnriemenrücken aufgebrachten Formelementes werden vom Gut selbst und dem Einsatzzweck bestimmt. Eine Vielzahl von verschiedenen Elementen wird von der Industrie standardmäßig angeboten. Bei der kraftschlüssigen Variante können zwei grundlegende Arten unterschieden werden: Zum einen Zahnriemenbeschichtungen mit sehr hohem Reibwert, zum anderen mit sehr niedrigen Reibwerten. Beschichtungen mit sehr hohem Reibwert (z. B. Silikon, PUR-Schaum, Naturkautschuk) eignen sich besonders für Schrägförderer und Abzugsbänder sowie für einfache Positionieraufgaben. Dabei wird eine relative Verschiebung des Gutes zum Zahnriemen durch den hohen Reibwert in der Kontaktzone behindert. Abbildung 2: Abzugsband für biegeschlaffe Flachformkörper z. B. Folie, Textilien Zahnriemenrückenbeschichtungen mit geringen Reibwerten bestehen meist aus Polyamidgewebe und eignen sich besonders gut für den Staubetrieb. Hierbei dient der Zahnriemen selbst als Zwischenspeicher. Bei Bedarf können die Güter freigegeben werden. Dabei muss aber sichergestellt werden, dass auch die Auflagefläche des Fördergutes für einen solchen Einsatzzweck geeignet ist, da es zu einer Relativbewegung zwischen Gut und undZahnriemen kommt. Abbildung 3: Stauförderer Parallelförderer können sowohl als reibschlüssige als auch als formschlüssige Variante ausgeführt werden. Ihr Vorteil liegt darin, dass größere Güter, z. B. Flachglas, Bleche usw. auf zwei oder mehreren Riemen aufliegen und durch die gleiche Geschwindigkeit der synchron angetriebenen Riemen keine Verschiebung des Gutes erfolgt. Würde der Antrieb nicht über Zahnriemen erfolgen, sondern über Flachriemen bzw. Gurte, wäre außerdem ein Zugmittel in der Breite des Fördergutes notwendig. Daraus ergibt sich zusätzlich eine wesentliche Massereduzierung der Zugmittel für den Stückguttransport in der Fördertechnik. Abbildung 4: Parallelförderer für kraftschlüssigen Transport Allen diesen Varianten ist jedoch gemein, dass der Zahnriemen auf einer Stützschiene gleitet und die Normalkraft des Transportgutes in Verbindung mit Riemengeschwindigkeit und Reibwert eine Reibleistung und damit Wärme erzeugt. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt fehlen exakte Angaben zu den Reibwerten für die einzelnen Gleitpaarungen. Auch ist eine Veränderung dieser Reibwerte bei Geschwindigkeits-, Temperatur-, und Belastungsänderung ungeklärt. Des Weiteren ist es auch notwendig, die Belastungsgrenzen für die Auslegung von Zahnriemenförderern zu definieren und das Verschleißverhalten zu kennen. Die derzeit üblichen Auslegungskriterien für diese fördertechnischen Anlagen sind Zugstrangfestigkeit und Zahnfußfestigkeit. Dabei bleibt jedoch die Erwärmung des Zugmittels und der Stützschiene durch die eingebrachte Reibleistung und den sich ändernden Reibwert unbeachtet. Insbesondere bei kurzen Förderstrecken mit großen Lasten bzw. hohen Transportgeschwindigkeiten ist die Gefahr von thermischen Überlastungen gegeben, welche zu erhöhtem Verschleiß bzw. zum Totalausfall der Anlage führen kann. Soll dieses zusätzliche Auslegungskriterium angewandt werden, sind Erkenntnisse aus den Gebieten der Tribologie und der Wärmelehre/Thermodynamik anzuwenden. Zum einen ist eine Bestimmung der entstehenden Reibleistung notwendig und zum anderen der abgeführte Wärmestrom zu ermitteln. Die sehr komplexen Zusammenhänge werden durch konstruktive und technologische Größen beschrieben, welche sich wiederum gegenseitig beeinflussen. 2. Reibwerte in der Gleitpaarung In DIN ISO 7148-2 sind die Besonderheiten bei der tribologischen Prüfung von polymeren Werkstoffen beschrieben. Dabei wird explizit darauf hingewiesen, dass die Prüfanordnung möglichst der praktischen Anwendung entsprechen sollte, um die Übertragbarkeit der Prüfergebnisse zu gewährleisten. Deshalb wurde ein Versuchsstand konzipiert, der die Kontaktverhältnisse von Zahnriemen und Stützschienen möglichst real abbildet (Abb.5). Abbildung 5: Schematischer Aufbau des Versuchsstandes Für die Untersuchung der Zahnriemenpaarung wird der Zahnriemen mit der Zahnseite nach oben aufgespannt. Auf die nach oben zeigende Zahnseite wird eine planparallele Platte des jeweiligen Gleitschienenmaterials aufgelegt. Die Flächenpressung der Paarung lässt sich über aufgebrachte Massestücke variieren und die Reibkraft über den Kraftsensor direkt über eine Schnittstelle zur Aufzeichnung an einen Rechner weiterleiten. Zur Ermittlung der Kontakttemperaturen wurden Bohrungen in das Gleitschienenmaterial eingebracht, die unmittelbar bis an die Oberfläche der Kontaktfläche reichen und mit Thermoelementen bestückt sind. Die Abstützung des Zahnriemens erfolgt auf einem Flachriemen, der wiederum auf einer Rollenbahn abrollt. Dadurch wird ein zusätzlicher Wärmeeintrag durch eine gleitende Abstützung vermieden. Die Gleitgeschwindigkeit und Flächenpressung auf die Paarung werden in Stufen variiert. Als Versuchszahnriemen dienten PU-Riemen mit und ohne zahnseitiger Polyamidbeschichtung der Abmessung 1250 x 25 T10. Abbildung 6: Reibwertmessungen an PU-Zahnriemen ohne Beschichtung (Kurzzeitversuche) Die ermittelten Messwerte der Gleitreibungszahl µ für verschiedene PU-Zahnriemen – Stützschienenkombinationen sind in Abbildung 6 dargestellt. Die schraffierten Balken geben die Reibungszahlempfehlungen von Herstellern sowie aus Literaturquellen für diese Paarungen wieder. Oft wird jedoch darauf hingewiesen, dass für einen konkreten Anwendungsfall eigene Untersuchungen durchzuführen sind. Die grauen Balken geben die bei einer Versuchsdauer von bis zu 8 Stunden ermittelten Reibungszahlen wieder. Dabei wurden sowohl die Flächenpressungen als auch die Gleitgeschwindigkeiten variiert. Bei einigen Paarungen (Holz (Abb.7)) konnte ein sehr starker abrasiver Verschleiß am Zahnriemen festgestellt werden. Diese Werkstoffkombinationen sind nur für geringe Belastungen geeignet. Abbildung 7: Oberfläche PU-Zahnriemen, verschlissen an Schichtholz Die Paarungen in Verbindung mit Stahl- bzw. Aluminiumstützschienen neigen zu stick-slip- Erscheinungen verbunden mit starker Geräuschentwicklung. Aufgrund der relativ hohen Reibungszahlen wurden keine Dauerversuche an unbeschichteten PU-Zahnriemen durchgeführt. Für die weiteren Untersuchungen wurden ausschließlich polyamidbeschichtete Zahnriemen verwendet. In Abbildung 8 werden die Ergebnisse der Reibwertuntersuchungen an PAZ-Zahnriemen (Polyamidgewebebeschichtung auf der Zahnseite) dargestellt. Die schraffierten Balken stellen wiederum die bisherigen Empfehlungen dar, die grauen Balken die ermittelten Messwerte im Kurzzeitversuch (bis 8 Stunden) und die schwarzen Balken die Messwerte im Langzeitversuch (zwischen 7 und teilweise bis zu 100 Tagen). Hier ist die Übereinstimmung der Reibungszahlen zwischen Empfehlungen und Kurzzeitmesswerten sehr gut. Der deutliche Anstieg der Werte im weiteren Verlauf der Untersuchungen deutet daraufhin, dass der tribologische Einlauf innerhalb von 8 Stunden meist noch nicht abgeschlossen ist und dass nach fortlaufender Belastung weitere tribologische Phänomene die Kontaktverhältnisse ändern. Abbildung 8: Reibungszahlen an polyamidbeschichteten PU-Zahnriemen (PAZ) in Verbindung mit verschiedenen Gleitschienen Bei den Paarungen mit einer Stützschiene aus Stahl, Aluminium oder Schichtholz konnte eine polymere Filmbildung auf der Gleitfläche beobachtet werden. In Abbildung 9 und 10 ist die Entwicklung am Beispiel von Stahlproben zu sehen. Gemeinsam bei diesen Paarungen ist die fortschreitende Schichtbildung, verbunden mit einer Reibwerterhöhung. Der Verschleiß der Gewebeschicht am Zahnriemen setzt bei größeren Reibungszahlen ein, was zu deren weiterer Erhöhung führt Ein weiterer Einsatz führt zur vollständigen Abtragung der Gewebeschicht und damit zu einer neuen tribologischen Paarung PU-Zahnriemen ��� Polymerschicht. Abbildung 9: beginnende polymere Ablagerung auf Stahlprobe Rz28 Abbildung 10: nahezu geschlossener polymerer Film auf Stahlprobe Rz28 Am Beispiel der Paarung PAZ Zahnriemen – Stahlstützschiene wird die Entwicklung der Reibungszahl über die Zeit des Gleitkontaktes in Abbildung 12 dargestellt. Dabei wurde die Oberflächenrauigkeit (Rz 6,3; Rz 28) durch entsprechende Bearbeitungen variiert. Der relativ starke Anstieg an der Paarung Rz 6,3 kann zum einen auf die hohe Gleitgeschwindigkeit und den damit entsprechend langen Gleitweg zurückgeführt werden, zum anderen auf den höheren adhäsiven Anteil durch die relativ glatte Oberfläche und der damit erhöhten Kontaktfläche. Abbildung 11 zeigt einen verschlissenen Zahnkopf. Abbildung 9: Verschlissene Zahnkopfflanke, PAZ - Stahl Abbildung 10: Änderung der Reibungszahl im zeitlichen Verlauf an der Paarung ZR PA – Stahl Die Erhöhung der Reibungszahlen an der Paarung PE UHMW - polyamidbeschichteter Zahnriemen kann nicht unmittelbar auf direkte Verschleißerscheinungen zurückgeführt werden. Sowohl die Gleitfläche als auch der Zahnriemen weisen auch nach längerem Kontakt keine sichtbaren Schäden auf: Es bildet sich kein polymerer Film auf der PE- UHMW- Gleitfläche heraus. In Abbildung 11 wird die Änderung der Reibungszahl dargestellt. Es wurden Paarungen mit steigendem p•v-Wert gewählt. Mit höheren Werten für die eingebrachte Leistung pro Flächeneinheit ist ein schnellerer Anstieg der Reibungszahlen zu verzeichnen. Abbildung 11: Änderung der Reibungszahl im zeitlichen Verlauf an der Paarung ZR PAZ – PE UHMW Die Erhöhung der Reibwerte zieht nicht nur eine Steigerung der Antriebsleistung nach sich, sondern auch eine Zunahme der Reibleistung und damit einen Anstieg der Kontakttemperatur. Hat diese einen bestimmten Wert erreicht, kommt es zum Aufschmelzen der Gleitflächen und damit zum Totalausfall der Paarung (Abbildungen 14, 15, 16). Ebenfalls tritt durch die Reibwerterhöhung eine höhere Belastung des Zugstranges und der Zahnfüße im Einlauf des Zahnriemens auf. Für eine konstruktive Auslegung entsprechender Zahnriemenförderer ist dies durch entsprechende Sicherheitsfaktoren zu berücksichtigen. Abbildung 12: Aufgeschmolzene PE-Laufschiene, 2-fach vergrößert Abbildung 13: geschmolzene Faserbündel 20- fach Abbildung 14: zerstörtes Gewebe in Folge thermischer Überlastung 3. Thermische Zusammenhänge Die Temperaturerhöhung in der Wirkstelle zwischen Zahnriemen und Stützschiene kann im stationären Zustand in der vereinfachten Form: p Flächenpressung v Gleitgeschwindigkeit µ Reibungszahl A Kontaktfläche / jeweilige Oberfläche a Wärmeübergangskoeffizient l Wärmeleitwert Abbildung 15: Kontaktmodell dargestellt werden. Dabei werden verschiedene Vereinfachungen angenommen: • Reibleistung wird auf die gesamte Fläche gleichmäßig verteilt, • Wärmestrom erfolgt nur in Normalenrichtung zur Gleitfläche, • konstante Reibleistung über die gesamte Zeit, • keine Ableitung des Wärmestromes über Stirn- und Seitenflächen, • eingeschwungener Gleichgewichtszustand der Temperaturverteilung, • gleiche Temperatur über der jeweiligen Oberfläche, • gleiche Strömungsverhältnisse und -bedingungen an der jeweiligen Oberfläche, • konstante - und - Werte über der gesamten Fläche. Der Temperaturverlauf für verschiedene Materialpaarungen ist in Abbildung 16 dargestellt. Der unterschiedliche Verlauf der Kurven kann mit den verschiedenen eingebrachten Reibleistungen durch sich unterschiedlich einstellende Reibungszahlen und durch die unterschiedlichen Wärmeleitwerte und Wärmekapazitäten der Gleitschienen erklärt werden. Ist eine stationäre Temperatur erreicht, so gilt vereinfacht die Vorstellung von Abbildung 15. Abbildung 16: thermischer Einlauf verschiedener Stützschienenmaterialien Die sich einstellende Gleitflächentemperatur ist im Wesentlichen von den in Abbildung 17 dargestellten Einflüssen abhängig. Da die Kontakttemperatur die Grenztemperatur (ca. 65°C) nicht überschreiten darf, um eine thermische Schädigung zu vermeiden, sind die entsprechenden Einflussgrößen zweckmäßig zu wählen. Die Parameter Gleitgeschwindigkeit und Flächenpressung sind meist durch die technologischen Erfordernisse vorgegeben, die Reibungszahl stellt sich entsprechend der tribologischen Paarung ein und die Wärmeleitfähigkeit ist ein kaum zu verändernder Stoffwert. Die Einflussmaßnahmen erstrecken sich also meist auf die Schichtstärke s der Abstützung und den Wärmeübergang zur Umgebung. Abbildung 17: Technologische und konstruktive Einflüsse auf die Gleitflächentemperatur in der Wirkstelle 4. Zusammenfassung Die Kenntnis der sich nach einer entsprechenden Einlaufphase einstellenden Reibungszahlen für verschiedene Zahnriemen – Stützschienenkombinationen ist für die Anwender und Entwickler wichtig, da damit eine optimale Auslegung von Zahnriemenförderern erfolgen kann. Diese optimale Auslegung realisiert dann in der Anwendung eine ökonomische Lebensdauer bei verbesserter konstruktiver Auslegung. Die bisher weitgehend unbeachtete Temperaturerhöhung in der Gleitschienen – Zahnriemenkombination durch die eingebrachte Reibleistung sollte zukünftig ein weiteres Auslegungskriterium darstellen. Eine erste Annäherung an dieses Problem kann durch die Form: p Flächenpressung v Gleitgeschwindigkeit µ Reibungszahl A Kontaktfläche / jeweilige Oberfläche K Wärmeabgabekoeffizient DT max. zul. Temperaturerhöhung K= f (µ, p, v, Gleitschienenmaterial, Zahnriemenausführung, Maschinenkonstante…) gezeigt werden. Für die Ermittlung des Wärmeabgabekoeffizienten sind entsprechende Untersuchungen durchzuführen und Zusammenhänge zu ermitteln. Bestimmte Praxiseinflüsse (Umgebungstemperaturschwankungen, Verschmutzung, Stöße, Montagefehler) sind in die bisherigen Untersuchungen noch nicht eingeflossen, sollten aber nicht unbeachtet bleiben. Durch eine vorteilhafte Auslegung der Förderanlagen kann eine höhere Zuverlässigkeit bei geringeren Wechselintervallen und niedrigeren Kosten für den Betrieb erreicht werden.

Modeling episodic fluid-release events in the ductile carbonates of the Glarus thrust

The exposed Glarus thrust displays midcrustal deformation with tens of kilometers of displacement on an ultrathin layer, the principal slip zone (PSZ). Geological observations indicate that this structure resulted from repeated stick-slip events in the presence of highly overpressured fluids. Here we show that the major characteristics of the Glarus thrust movement (localization, periodicity, and evidence of pressurized fluids) can be reconciled by the coupling of two processes, namely, shear heating and fluid release by carbonate decomposition. During this coupling, slow ductile creep deformation raises the temperature through shear heating and ultimately activates the chemical decomposition of carbonates. The subsequent release of highly overpressurized fluids forms and lubricates the PSZ, allowing a ductile fault to move tens of kilometers on millimeter-thick bands in episodic stick-slip events. This model identifies carbonate decomposition as a key process for motion on the Glarus thrust and explains the source of overpressured fluids accessing the PSZ.

Dynamic rupture in a 3-D particle-based simulation of a rough planar fault

An appreciation of the physical mechanisms which cause observed seismicity complexity is fundamental to the understanding of the temporal behaviour of faults and single slip events. Numerical simulation of fault slip can provide insights into fault processes by allowing exploration of parameter spaces which influence microscopic and macroscopic physics of processes which may lead towards an answer to those questions. Particle-based models such as the Lattice Solid Model have been used previously for the simulation of stick-slip dynamics of faults, although mainly in two dimensions. Recent increases in the power of computers and the ability to use the power of parallel computer systems have made it possible to extend particle-based fault simulations to three dimensions. In this paper a particle-based numerical model of a rough planar fault embedded between two elastic blocks in three dimensions is presented. A very simple friction law without any rate dependency and no spatial heterogeneity in the intrinsic coefficient of friction is used in the model. To simulate earthquake dynamics the model is sheared in a direction parallel to the fault plane with a constant velocity at the driving edges. Spontaneous slip occurs on the fault when the shear stress is large enough to overcome the frictional forces on the fault. Slip events with a wide range of event sizes are observed. Investigation of the temporal evolution and spatial distribution of slip during each event shows a high degree of variability between the events. In some of the larger events highly complex slip patterns are observed.

Experimental verification of the vibro-impact capsule model

Date of Acceptance: 03/09/15 Acknowledgments Dr. Yang Liu would like to acknowledge the financial support for the Small Research Grant (31841) by the Carnegie Trust for the Universities of Scotland.

Experimental verification of the vibro-impact capsule model

Date of Acceptance: 03/09/15 Acknowledgments Dr. Yang Liu would like to acknowledge the financial support for the Small Research Grant (31841) by the Carnegie Trust for the Universities of Scotland.

Design and Implementation of Tools for STM Studies in UHV and at the Solid-Liquid Interface

This thesis presents details of the design and development of novel tools and instruments for scanning tunneling microscopy (STM), and may be considered as a repository for several years' worth of development work. The author presents design goals and implementations for two microscopes. First, a novel Pan-type STM was built that could be operated in an ambient environment as a liquid-phase STM. Unique features of this microscope include a unibody frame, for increased microscope rigidity, a novel slider component with large Z-range, a unique wiring scheme and damping mechanism, and a removable liquid cell. The microscope exhibits a high level of mechanical isolation at the tunnel junction, and operates excellently as an ambient tool. Experiments in liquid are on-going. Simultaneously, the author worked on designs for a novel low temperature, ultra-high vacuum (LT-UHV) instrument, and these are presented as well. A novel stick-slip vertical coarse approach motor was designed and built. To gauge the performance of the motor, an in situ motion sensing apparatus was implemented, which could measure the step size of the motor to high precision. A new driving circuit for stick-slip inertial motors is also presented, that o ffers improved performance over our previous driving circuit, at a fraction of the cost. The circuit was shown to increase step size performance by 25%. Finally, a horizontal sample stage was implemented in this microscope. The build of this UHV instrument is currently being fi nalized. In conjunction with the above design projects, the author was involved in a collaborative project characterizing N-heterocyclic carbene (NHC) self-assembled monolayers (SAMs) on Au(111) films. STM was used to characterize Au substrate quality, for both commercial substrates and those manufactured via a unique atomic layer deposition (ALD) process by collaborators. Ambient and UHV STM was then also used to characterize the NHC/Au(111) films themselves, and several key properties of these films are discussed. During this study, the author discovered an unexpected surface contaminant, and details of this are also presented. Finally, two models are presented for the nature of the NHC-Au(111) surface interaction based on the observed film properties, and some preliminary theoretical work by collaborators is presented.

Real - time prediction of rainfall induced instability of residual soil slopes associated with deep cracks

The early warning based on real-time prediction of rain-induced instability of natural residual slopes helps to minimise human casualties due to such slope failures. Slope instability prediction is complicated, as it is influenced by many factors, including soil properties, soil behaviour, slope geometry, and the location and size of deep cracks in the slope. These deep cracks can facilitate rainwater infiltration into the deep soil layers and reduce the unsaturated shear strength of residual soil. Subsequently, it can form a slip surface, triggering a landslide even in partially saturated soil slopes. Although past research has shown the effects of surface-cracks on soil stability, research examining the influence of deep-cracks on soil stability is very limited. This study aimed to develop methodologies for predicting the real-time rain-induced instability of natural residual soil slopes with deep cracks. The results can be used to warn against potential rain-induced slope failures. The literature review conducted on rain induced slope instability of unsaturated residual soil associated with soil crack, reveals that only limited studies have been done in the following areas related to this topic: - Methods for detecting deep cracks in residual soil slopes. - Practical application of unsaturated soil theory in slope stability analysis. - Mechanistic methods for real-time prediction of rain induced residual soil slope instability in critical slopes with deep cracks. Two natural residual soil slopes at Jombok Village, Ngantang City, Indonesia, which are located near a residential area, were investigated to obtain the parameters required for the stability analysis of the slope. A survey first identified all related field geometrical information including slope, roads, rivers, buildings, and boundaries of the slope. Second, the electrical resistivity tomography (ERT) method was used on the slope to identify the location and geometrical characteristics of deep cracks. The two ERT array models employed in this research are: Dipole-dipole and Azimuthal. Next, bore-hole tests were conducted at different locations in the slope to identify soil layers and to collect undisturbed soil samples for laboratory measurement of the soil parameters required for the stability analysis. At the same bore hole locations, Standard Penetration Test (SPT) was undertaken. Undisturbed soil samples taken from the bore-holes were tested in a laboratory to determine the variation of the following soil properties with the depth: - Classification and physical properties such as grain size distribution, atterberg limits, water content, dry density and specific gravity. - Saturated and unsaturated shear strength properties using direct shear apparatus. - Soil water characteristic curves (SWCC) using filter paper method. - Saturated hydraulic conductivity. The following three methods were used to detect and simulate the location and orientation of cracks in the investigated slope: (1) The electrical resistivity distribution of sub-soil obtained from ERT. (2) The profile of classification and physical properties of the soil, based on laboratory testing of soil samples collected from bore-holes and visual observations of the cracks on the slope surface. (3) The results of stress distribution obtained from 2D dynamic analysis of the slope using QUAKE/W software, together with the laboratory measured soil parameters and earthquake records of the area. It was assumed that the deep crack in the slope under investigation was generated by earthquakes. A good agreement was obtained when comparing the location and the orientation of the cracks detected by Method-1 and Method-2. However, the simulated cracks in Method-3 were not in good agreement with the output of Method-1 and Method-2. This may have been due to the material properties used and the assumptions made, for the analysis. From Method-1 and Method-2, it can be concluded that the ERT method can be used to detect the location and orientation of a crack in a soil slope, when the ERT is conducted in very dry or very wet soil conditions. In this study, the cracks detected by the ERT were used for stability analysis of the slope. The stability of the slope was determined using the factor of safety (FOS) of a critical slip surface obtained by SLOPE/W using the limit equilibrium method. Pore-water pressure values for the stability analysis were obtained by coupling the transient seepage analysis of the slope using finite element based software, called SEEP/W. A parametric study conducted on the stability of an investigated slope revealed that the existence of deep cracks and their location in the soil slope are critical for its stability. The following two steps are proposed to predict the rain-induced instability of a residual soil slope with cracks. (a) Step-1: The transient stability analysis of the slope is conducted from the date of the investigation (initial conditions are based on the investigation) to the preferred date (current date), using measured rainfall data. Then, the stability analyses are continued for the next 12 months using the predicted annual rainfall that will be based on the previous five years rainfall data for the area. (b) Step-2: The stability of the slope is calculated in real-time using real-time measured rainfall. In this calculation, rainfall is predicted for the next hour or 24 hours and the stability of the slope is calculated one hour or 24 hours in advance using real time rainfall data. If Step-1 analysis shows critical stability for the forthcoming year, it is recommended that Step-2 be used for more accurate warning against the future failure of the slope. In this research, the results of the application of the Step-1 on an investigated slope (Slope-1) showed that its stability was not approaching a critical value for year 2012 (until 31st December 2012) and therefore, the application of Step-2 was not necessary for the year 2012. A case study (Slope-2) was used to verify the applicability of the complete proposed predictive method. A landslide event at Slope-2 occurred on 31st October 2010. The transient seepage and stability analyses of the slope using data obtained from field tests such as Bore-hole, SPT, ERT and Laboratory tests, were conducted on 12th June 2010 following the Step-1 and found that the slope in critical condition on that current date. It was then showing that the application of the Step-2 could have predicted this failure by giving sufficient warning time.

Interaction anisotropy and shear instability of aspirin polymorphs established by nanoindentation

Nanoindentation is applied to the two polymorphs of aspirin to examine and differentiate their interaction anisotropy and shear instability. Aspirin provides an excellent test system for the technique because: (i) polymorphs I and II exhibit structural similarity in two dimensions, thereby facilitating clear examination of the differences in mechanical response in relation to well-defined differences between the two crystal structures; (ii) single crystals of the metastable polymorph II have only recently become accessible; (iii) shear instability has been proposed for II. Different elastic moduli and hardness values determined for the two polymorphs are correlated with their crystal structures, and the interpretation is supported by measured thermal expansion coefficients. The stress-induced transformation of the metastable polymorph II to the stable polymorph I can be brought about rapidly by mechanical milling, and proceeds via a slip mechanism. This work establishes that nanoindentation provides ``signature'' responses for the two aspirin polymorphs, despite their very similar crystal structures. It also demonstrates the value of the technique to quantify stability relationships and phase transformations in molecular crystals, enabling a deeper understanding of polymorphism in the context of crystal engineering.

Energy based approach for the evaluation of damage under partial slip and gross sliding condition

Three possible contact conditions may prevail at a contact interface depending on the magnitude of normal and tangential loads, that is, stick condition, partial slip condition or gross sliding condition. Numerical techniques have been used to evaluate the stress field under partial slip and gross sliding condition. Cattaneo and Mindlin approach has been adapted to model partial slip condition. Shear strain energy density and normalized strain energy release rate have been evaluated at the surface and in the subsurface region. It is apparent from the present study that the shear strain energy density gives a fair prediction for the nucleation of damage, whereas the propagation of the crack is controlled by normalized strain energy release rate. Further, it has been observed that the intensity of damage strongly depends on coefficient of friction and contact conditions prevailing at the contact interface. (C) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.

Preliminary Observations on Program Instability

This white paper reports emerging findings at the end of Phase I of the Lean Aircraft Initiative in the Policy focus group area. Specifically, it provides details about research on program instability. Its objective is to discuss high-level findings detailing: 1) the relative contribution of different factors to a program’s overall instability; 2) the cost impact of program instability on acquisition programs; and 3) some strategies recommended by program managers for overcoming and/or mitigating the negative effects of program instability on their programs. Because this report comes as this research is underway, this is not meant to be a definitive document on the subject. Rather, is it anticipated that this research may potentially produce a number of reports on program instability-related topics. The government managers of military acquisition programs rated annual budget or production rate changes, changes in requirements, and technical difficulties as the three top contributors, respectively, to program instability. When asked to partition actual variance in their program’s planned cost and schedule to each of these factors, it was found that the combined effects of unplanned budget and requirement changes accounted for 5.2% annual cost growth and 20% total program schedule slip. At a rate of approximately 5% annual cost growth from these factors, it is easy to see that even conservative estimates of the cost benefits to be gained from acquisition reforms and process improvements can quickly be eclipsed by the added cost associated with program instability. Program management practices involving the integration of stakeholders from throughout the value chain into the decision making process were rated the most effective at avoiding program instability. The use of advanced information technologies was rated the most effective at mitigating the negative impact of program instability.