Strength Predictions of Hat Stiffened Plate

Hat Stiffened Plates are used in composite ships and are gaining popularity in metallic ship construction due to its high strength-to-weight ratio. Light weight structures will result in greater payload, higher speeds, reduced fuel consumption and environmental emissions. Numerical Investigations have been carried out using the commercial Finite Element software ANSYS 12 to substantiate the high strength-to-weight ratio of Hat Stiffened Plates over other open section stiffeners which are commonly used in ship building. Analysis of stiffened plate has always been a matter of concern for the structural engineers since it has been rather difficult to quantify the actual load sharing between stiffeners and plating. Finite Element Method has been accepted as an efficient tool for the analysis of stiffened plated structure. Best results using the Finite Element Method for the analysis of thin plated structures are obtained when both the stiffeners and the plate are modeled using thin plate elements having six degrees of freedom per node. However, one serious problem encountered with this design and analysis process is that the generation of the finite element models for a complex configuration is time consuming and laborious. In order to overcome these difficulties two different methods viz., Orthotropic Plate Model and Superelement for Hat Stiffened Plate have been suggested in the present work. In the Orthotropic Plate Model geometric orthotropy is converted to material orthotropy i.e., the stiffeners are smeared and they vanish from the field of analysis and the structure can be analysed using any commercial Finite Element software which has orthotropic elements in its element library. The Orthotropic Plate Model developed has predicted deflection, stress and linear buckling load with sufficiently good accuracy in the case of all four edges simply supported boundary condition. Whereas, in the case of two edges fixed and other two edges simply supported boundary condition even though the stress has been predicted with good accuracy there has been large variation in the deflection predicted. This variation in the deflection predicted is because, for the Orthotropic Plate Model the rigidity is uniform throughout the plate whereas in the actual Hat Stiffened Plate the rigidity along the line of attachment of the stiffeners to the plate is large as compared to the unsupported portion of the plate. The Superelement technique is a method of treating a portion of the structure as if it were a single element even though it is made up of many individual elements. The Superelement has predicted the deflection and in-plane stress of Hat Stiffened Plate with sufficiently good accuracy for different boundary conditions. Formulation of Superelement for composite Hat Stiffened Plate has also been presented in the thesis. The capability of Orthotropic Plate Model and Superelement to handle typical boundary conditions and characteristic loads in a ship structure has been demonstrated through numerical investigations.

Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.

Ein Beitrag zur realitätsnahen Modellierung und Analyse von stahlfaserverstärkten Stahlbeton- und Stahlbetonflächentragwerken

Das Werkstoffverhalten von stahlfaserfreiem bzw. stahlfaserverstärktem Stahlbeton unter biaxialle Druck- Zugbeanspruchung wurde experimentell und theoretisch untersucht. Die Basis der experimentellen Untersuchungen waren zahlreiche Versuche, die in der Vergangenheit an faserfreiem Stahlbetonscheiben zur Bestimmung des Werkstoffverhaltens von gerissenem Stahlbeton im ebenen Spannungszustand durchgeführt wurden. Bei diesen Untersuchungen wurde festgestellt, dass infolge einer Querzugbeanspruchung eine Abminderung der biaxialen Druckfestigkeit entsteht. Unter Berücksichtigung dieser Erkenntnisse sind zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften des Betons, Stahlbetonscheiben aus stahlfaserverstärktem Beton hergestellt worden. Die aus der Literatur bekannten Werkstoffmodelle für Beton sowie Stahlbeton, im ungerissenen und gerissenen Zustand wurden hinsichtlich der in der Vergangenheit ermittelten Materialeigenschaften des Betons bzw. Stahlbetons unter proportionalen sowie nichtproportionalen äußeren Belastungen erklärt und kritisch untersucht. In den frischen Beton wurden Stahlfasern hinzugegeben. Dadurch konnte die Festigkeits- und die Materialsteifigkeitsabminderung infolge Rissbildung, die zur Schädigung des Verbundwerkstoffs Beton führt, reduziert werden. Man konnte sehen, dass der Druckfestigkeitsabminderungsfaktor und insbesondere die zur maximal aufnehmbaren Zylinderdruckfestigkeit gehörende Stauchung, durch Zugabe von Stahlfasern besser begrenzt wird. Die experimentelle Untersuchungen wurden an sechs faserfreien und sieben stahlfaserverstärkten Stahlbetonscheiben unter Druck-Zugbelastung zur Bestimmung des Verhaltens des gerissenen faserfreien und stahlfaserverstärkten Stahlbetons durchgeführt. Die aus eigenen Versuchen ermittelten Materialeigenschaften des Betons, des stahlfaserverstärkten Betons und Stahlbetons im gerissenen Zustand wurden dargelegt und diskutiert. Bei der Rissbildung des quasi- spröden Werkstoffs Beton und dem stahlfaserverstärkten Beton wurde neben dem plastischen Fließen, auch die Abnahme des Elastizitätsmoduls festgestellt. Die Abminderung der aufnehmbaren Festigkeit und der zugehörigen Verzerrung lässt sich nicht mit der klassischen Fließtheorie der Plastizität ohne Modifizierung des Verfestigungsgesetzes erfassen. Es wurden auf elasto-plastischen Werkstoffmodellen basierende konstitutive Beziehungen für den faserfreien sowie den stahlfaserverstärkten Beton vorgeschlagen. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit eine auf dem elasto-plastischen Werkstoffmodell basierende konstitutive Beziehung für Beton und den stahlfaser-verstärkten Beton im gerissenen Zustand formuliert. Die formulierten Werkstoffmodelle wurden mittels dem in einer modularen Form aufgebauten nichtlinearen Finite Elemente Programm DIANA zu numerischen Untersuchungen an ausgewählten experimentell untersuchten Flächentragwerken, wie scheibenartigen-, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem sowie stahlfaserverstärktem Beton verwendet. Das entwickelte elasto-plastische Modell ermöglichte durch eine modifizierte effektive Spannungs-Verzerrungs-Beziehung für das Verfestigungsmodell, nicht nur die Erfassung des plastischen Fließens sondern auch die Berücksichtigung der Schädigung der Elastizitätsmodule infolge Mikrorissen sowie Makrorissen im Hauptzugspannungs-Hauptdruckspannungs-Bereich. Es wurde bei den numerischen Untersuchungen zur Ermittlung des Last-Verformungsverhaltens von scheibenartigen, plattenartigen- und Schalentragwerken aus faserfreiem und stahlfaserverstärktem Stahlbeton, im Vergleich mit den aus Versuchen ermittelten Ergebnissen, eine gute Übereinstimmung festgestellt.

Relativistic LCAO with Minimax Principle and New Balanced Basis Sets

Relativistic density functional theory is widely applied in molecular calculations with heavy atoms, where relativistic and correlation effects are on the same footing. Variational stability of the Dirac Hamiltonian is a very important field of research from the beginning of relativistic molecular calculations on, among efforts for accuracy, efficiency, and density functional formulation, etc. Approximations of one- or two-component methods and searching for suitable basis sets are two major means for good projection power against the negative continuum. The minimax two-component spinor linear combination of atomic orbitals (LCAO) is applied in the present work for both light and super-heavy one-electron systems, providing good approximations in the whole energy spectrum, being close to the benchmark minimax finite element method (FEM) values and without spurious and contaminated states, in contrast to the presence of these artifacts in the traditional four-component spinor LCAO. The variational stability assures that minimax LCAO is bounded from below. New balanced basis sets, kinetic and potential defect balanced (TVDB), following the minimax idea, are applied with the Dirac Hamiltonian. Its performance in the same super-heavy one-electron quasi-molecules shows also very good projection capability against variational collapse, as the minimax LCAO is taken as the best projection to compare with. The TVDB method has twice as many basis coefficients as four-component spinor LCAO, which becomes now linear and overcomes the disadvantage of great time-consumption in the minimax method. The calculation with both the TVDB method and the traditional LCAO method for the dimers with elements in group 11 of the periodic table investigates their difference. New bigger basis sets are constructed than in previous research, achieving high accuracy within the functionals involved. Their difference in total energy is much smaller than the basis incompleteness error, showing that the traditional four-spinor LCAO keeps enough projection power from the numerical atomic orbitals and is suitable in research on relativistic quantum chemistry. In scattering investigations for the same comparison purpose, the failure of the traditional LCAO method of providing a stable spectrum with increasing size of basis sets is contrasted to the TVDB method, which contains no spurious states already without pre-orthogonalization of basis sets. Keeping the same conditions including the accuracy of matrix elements shows that the variational instability prevails over the linear dependence of the basis sets. The success of the TVDB method manifests its capability not only in relativistic quantum chemistry but also for scattering and under the influence of strong external electronic and magnetic fields. The good accuracy in total energy with large basis sets and the good projection property encourage wider research on different molecules, with better functionals, and on small effects.

Die aeroelastische Stabilitätsanalyse – ein praxisnaher Ansatz zur intervalltheoretischen Betrachtung von Modellierungsunsicherheiten am Flugzeug

Die Untersuchung des dynamischen aeroelastischen Stabilitätsverhaltens von Flugzeugen erfordert sehr komplexe Rechenmodelle, welche die wesentlichen elastomechanischen und instationären aerodynamischen Eigenschaften der Konstruktion wiedergeben sollen. Bei der Modellbildung müssen einerseits Vereinfachungen und Idealisierungen im Rahmen der Anwendung der Finite Elemente Methode und der aerodynamischen Theorie vorgenommen werden, deren Auswirkungen auf das Simulationsergebnis zu bewerten sind. Andererseits können die strukturdynamischen Kenngrößen durch den Standschwingungsversuch identifiziert werden, wobei die Ergebnisse Messungenauigkeiten enthalten. Für eine robuste Flatteruntersuchung müssen die identifizierten Unwägbarkeiten in allen Prozessschritten über die Festlegung von unteren und oberen Schranken konservativ ermittelt werden, um für alle Flugzustände eine ausreichende Flatterstabilität sicherzustellen. Zu diesem Zweck wird in der vorliegenden Arbeit ein Rechenverfahren entwickelt, welches die klassische Flatteranalyse mit den Methoden der Fuzzy- und Intervallarithmetik verbindet. Dabei werden die Flatterbewegungsgleichungen als parameterabhängiges nichtlineares Eigenwertproblem formuliert. Die Änderung der komplexen Eigenlösung infolge eines veränderlichen Einflussparameters wird mit der Methode der numerischen Fortsetzung ausgehend von der nominalen Startlösung verfolgt. Ein modifizierter Newton-Iterations-Algorithmus kommt zur Anwendung. Als Ergebnis liegen die berechneten aeroelastischen Dämpfungs- und Frequenzverläufe in Abhängigkeit von der Fluggeschwindigkeit mit Unschärfebändern vor.

Modelització numèrica d’un sistema de descàrrega d’una columna de la catedral d Girona mitjançant el mètode dels elements finits (anàlisi no lineal)

Aquest projecte consisteix en aplicar el càlcul no lineal en la modelització volumètrica numèrica de l’estructura del sistema de descàrrega d’una columna del claustre de la catedral de Girona mitjançant el mètode dels elements finits. A la Universitat de Girona s’ha fet diferents estudis del claustre de la catedral de Girona però sempre simulant un comportament lineal de les característiques dels materials. El programa utilitzat és la versió docent del programa ANSYS disponible al Dept. d’EMCI i l’element emprat ha sigut el SOLID65. Aquest element permet introduir característiques de no linealitat en els models i és adequat per a anàlisi no lineal d’elements com la pedra de Girona

Anàlisi paramètrica de l'assaig a compressió d'un panell de material compost rigiditzat amb tres nervis

L’objectiu d’aquest treball és desenvolupar una metodologia per realitzar l’anàlisi paramètrica de l’assaig de compressió d’un panell de material compost rigiditzat amb tres nervis. En primer lloc és necessari desenvolupar un sistema automatitzat per generar i avaluar el conjunt de parametritzacions. A continuació, s’estudiaran quines variables d’estat són les més adequades per representar el vinclament local, la flexió global, la càrrega crítica de desestabilització i l’índex de fallada en l’anàlisi paramètrica. La modelització amb el mètode dels elements finits serveix per simular l’assaig a compressió del panell. La simulació es realitza mitjançant un càlcul no lineal, per estudiar la desestabilització i els fenòmens no lineals que pateix el panell. L’estudi es complementa amb una anàlisi modal i una anàlisi lineal

Càlcul, disseny i fabricació d'una carrosseria autoportant en material compòsit per al vehicle de baix consum Àliga

El projecte és l’inici de la creació d’un nou prototip per a poder competir la temporada 2008 a la cursa de vehicles de baix consum Shell Eco-Marathon. El principal objectiu és aconseguir un xassís que redueixi, en la mesura del possible, el pes del prototip a la vegada que asseguri una millor rigidesa i millori l’ergonomia de tot el conjunt. Es dissenyarà tota la part estructural de la carrosseria, que serà sotmesa a càlcul mitjançant la tècnica dels elements finits i posteriorment es realitzarà una guia de producció per tal de guiar els membres de l’equip que en realitzin la producció

Variable mixed-mode delamination in composite laminates under fatigue conditions: testing & analysis

La majoria de les fallades en elements estructurals són degudes a càrrega per fatiga. En conseqüència, la fatiga mecànica és un factor clau per al disseny d'elements mecànics. En el cas de materials compòsits laminats, el procés de fallada per fatiga inclou diferents mecanismes de dany que resulten en la degradació del material. Un dels mecanismes de dany més importants és la delaminació entre capes del laminat. En el cas de components aeronàutics, les plaques de composit estan exposades a impactes i les delaminacions apareixen facilment en un laminat després d'un impacte. Molts components fets de compòsit tenen formes corbes, superposició de capes i capes amb diferents orientacions que fan que la delaminació es propagui en un mode mixt que depen de la grandària de la delaminació. És a dir, les delaminacions generalment es propaguen en mode mixt variable. És per això que és important desenvolupar nous mètodes per caracteritzar el creixement subcrític en mode mixt per fatiga de les delaminacions. El principal objectiu d'aquest treball és la caracterització del creixement en mode mixt variable de les delaminacions en compòsits laminats per efecte de càrregues a fatiga. Amb aquest fi, es proposa un nou model per al creixement per fatiga de la delaminació en mode mixt. Contràriament als models ja existents, el model que es proposa es formula d'acord a la variació no-monotònica dels paràmetres de propagació amb el mode mixt observada en diferents resultats experimentals. A més, es du a terme un anàlisi de l'assaig mixed-mode end load split (MMELS), la característica més important del qual és la variació del mode mixt a mesura que la delaminació creix. Per a aquest anàlisi, es tenen em compte dos mètodes teòrics presents en la literatura. No obstant, les expressions resultants per l'assaig MMELS no són equivalents i les diferències entre els dos mètodes poden ser importants, fins a 50 vegades. Per aquest motiu, en aquest treball es porta a terme un anàlisi alternatiu més acurat del MMELS per tal d'establir una comparació. Aquest anàlisi alternatiu es basa en el mètode dels elements finits i virtual crack closure technique (VCCT). D'aquest anàlisi en resulten importants aspectes a considerar per a la bona caracterització de materials utilitzant l'assaig MMELS. Durant l'estudi s'ha dissenyat i construït un utillatge per l'assaig MMELS. Per a la caracterització experimental de la propagació per fatiga de delaminacions en mode mixt variable s'utilitzen diferents provetes de laminats carboni/epoxy essencialment unidireccionals. També es du a terme un anàlisi fractogràfic d'algunes de les superfícies de fractura per delaminació. Els resultats experimentals són comparats amb les prediccions del model proposat per la propagació per fatiga d'esquerdes interlaminars.

The influence of viscous and latent heating on crystal-rich magma flow in a conduit

The flow dynamics of crystal-rich high-viscosity magma is likely to be strongly influenced by viscous and latent heat release. Viscous heating is observed to play an important role in the dynamics of fluids with temperature-dependent viscosities. The growth of microlite crystals and the accompanying release of latent heat should play a similar role in raising fluid temperatures. Earlier models of viscous heating in magmas have shown the potential for unstable (thermal runaway) flow as described by a Gruntfest number, using an Arrhenius temperature dependence for the viscosity, but have not considered crystal growth or latent heating. We present a theoretical model for magma flow in an axisymmetric conduit and consider both heating effects using Finite Element Method techniques. We consider a constant mass flux in a 1-D infinitesimal conduit segment with isothermal and adiabatic boundary conditions and Newtonian and non-Newtonian magma flow properties. We find that the growth of crystals acts to stabilize the flow field and make the magma less likely to experience a thermal runaway. The additional heating influences crystal growth and can counteract supercooling from degassing-induced crystallization and drive the residual melt composition back towards the liquidus temperature. We illustrate the models with results generated using parameters appropriate for the andesite lava dome-forming eruption at Soufriere Hills Volcano, Montserrat. These results emphasize the radial variability of the magma. Both viscous and latent heating effects are shown to be capable of playing a significant role in the eruption dynamics of Soufriere Hills Volcano. Latent heating is a factor in the top two kilometres of the conduit and may be responsible for relatively short-term (days) transients. Viscous heating is less restricted spatially, but because thermal runaway requires periods of hundreds of days to be achieved, the process is likely to be interrupted. Our models show that thermal evolution of the conduit walls could lead to an increase in the effective diameter of flow and an increase in flux at constant magma pressure.

Consistent Dirichlet Boundary Conditions for Numerical Solution of Moving Boundary Problems

We consider the imposition of Dirichlet boundary conditions in the finite element modelling of moving boundary problems in one and two dimensions for which the total mass is prescribed. A modification of the standard linear finite element test space allows the boundary conditions to be imposed strongly whilst simultaneously conserving a discrete mass. The validity of the technique is assessed for a specific moving mesh finite element method, although the approach is more general. Numerical comparisons are carried out for mass-conserving solutions of the porous medium equation with Dirichlet boundary conditions and for a moving boundary problem with a source term and time-varying mass.

Modelling the lava dome extruded at Soufrière Hills Volcano, Montserrat, August 2005–May 2006. Part I: Dome shape and internal structure

Lava domes comprise core, carapace, and clastic talus components. They can grow endogenously by inflation of a core and/or exogenously with the extrusion of shear bounded lobes and whaleback lobes at the surface. Internal structure is paramount in determining the extent to which lava dome growth evolves stably, or conversely the propensity for collapse. The more core lava that exists within a dome, in both relative and absolute terms, the more explosive energy is available, both for large pyroclastic flows following collapse and in particular for lateral blast events following very rapid removal of lateral support to the dome. Knowledge of the location of the core lava within the dome is also relevant for hazard assessment purposes. A spreading toe, or lobe of core lava, over a talus substrate may be both relatively unstable and likely to accelerate to more violent activity during the early phases of a retrogressive collapse. Soufrière Hills Volcano, Montserrat has been erupting since 1995 and has produced numerous lava domes that have undergone repeated collapse events. We consider one continuous dome growth period, from August 2005 to May 2006 that resulted in a dome collapse event on 20th May 2006. The collapse event lasted 3 h, removing the whole dome plus dome remnants from a previous growth period in an unusually violent and rapid collapse event. We use an axisymmetrical computational Finite Element Method model for the growth and evolution of a lava dome. Our model comprises evolving core, carapace and talus components based on axisymmetrical endogenous dome growth, which permits us to model the interface between talus and core. Despite explicitly only modelling axisymmetrical endogenous dome growth our core–talus model simulates many of the observed growth characteristics of the 2005–2006 SHV lava dome well. Further, it is possible for our simulations to replicate large-scale exogenous characteristics when a considerable volume of talus has accumulated around the lower flanks of the dome. Model results suggest that dome core can override talus within a growing dome, potentially generating a region of significant weakness and a potential locus for collapse initiation.

Modelling the lava dome extruded at Soufrière Hills Volcano, Montserrat, August 2005–May 2006. Part II: Rockfall activity and talus deformation

During many lava dome-forming eruptions, persistent rockfalls and the concurrent development of a substantial talus apron around the foot of the dome are important aspects of the observed activity. An improved understanding of internal dome structure, including the shape and internal boundaries of the talus apron, is critical for determining when a lava dome is poised for a major collapse and how this collapse might ensue. We consider a period of lava dome growth at the Soufrière Hills Volcano, Montserrat, from August 2005 to May 2006, during which a 100 × 106 m3 lava dome developed that culminated in a major dome-collapse event on 20 May 2006. We use an axi-symmetrical Finite Element Method model to simulate the growth and evolution of the lava dome, including the development of the talus apron. We first test the generic behaviour of this continuum model, which has core lava and carapace/talus components. Our model describes the generation rate of talus, including its spatial and temporal variation, as well as its post-generation deformation, which is important for an improved understanding of the internal configuration and structure of the dome. We then use our model to simulate the 2005 to 2006 Soufrière Hills dome growth using measured dome volumes and extrusion rates to drive the model and generate the evolving configuration of the dome core and carapace/talus domains. The evolution of the model is compared with the observed rockfall seismicity using event counts and seismic energy parameters, which are used here as a measure of rockfall intensity and hence a first-order proxy for volumes. The range of model-derived volume increments of talus aggraded to the talus slope per recorded rockfall event, approximately 3 × 103–13 × 103 m3 per rockfall, is high with respect to estimates based on observed events. From this, it is inferred that some of the volumetric growth of the talus apron (perhaps up to 60–70%) might have occurred in the form of aseismic deformation of the talus, forced by an internal, laterally spreading core. Talus apron growth by this mechanism has not previously been identified, and this suggests that the core, hosting hot gas-rich lava, could have a greater lateral extent than previously considered.

Modelling metal cutting using modern ductile fracture mechanics: Quantitative explanations for some longstanding problems

The assumption that negligible work is involved in the formation of new surfaces in the machining of ductile metals, is re-examined in the light of both current Finite Element Method (FEM) simulations of cutting and modern ductile fracture mechanics. The work associated with separation criteria in FEM models is shown to be in the kJ/m2 range rather than the few J/m2 of the surface energy (surface tension) employed by Shaw in his pioneering study of 1954 following which consideration of surface work has been omitted from analyses of metal cutting. The much greater values of surface specific work are not surprising in terms of ductile fracture mechanics where kJ/m2 values of fracture toughness are typical of the ductile metals involved in machining studies. This paper shows that when even the simple Ernst–Merchant analysis is generalised to include significant surface work, many of the experimental observations for which traditional ‘plasticity and friction only’ analyses seem to have no quantitative explanation, are now given meaning. In particular, the primary shear plane angle φ becomes material-dependent. The experimental increase of φ up to a saturated level, as the uncut chip thickness is increased, is predicted. The positive intercepts found in plots of cutting force vs. depth of cut, and in plots of force resolved along the primary shear plane vs. area of shear plane, are shown to be measures of the specific surface work. It is demonstrated that neglect of these intercepts in cutting analyses is the reason why anomalously high values of shear yield stress are derived at those very small uncut chip thicknesses at which the so-called size effect becomes evident. The material toughness/strength ratio, combined with the depth of cut to form a non-dimensional parameter, is shown to control ductile cutting mechanics. The toughness/strength ratio of a given material will change with rate, temperature, and thermomechanical treatment and the influence of such changes, together with changes in depth of cut, on the character of machining is discussed. Strength or hardness alone is insufficient to describe machining. The failure of the Ernst–Merchant theory seems less to do with problems of uniqueness and the validity of minimum work, and more to do with the problem not being properly posed. The new analysis compares favourably and consistently with the wide body of experimental results available in the literature. Why considerable progress in the understanding of metal cutting has been achieved without reference to significant surface work is also discussed.

Toughness & oblique metalcutting

The implications of whether new surfaces in cutting are formed just by plastic flow past the tool or by some fracturelike separation process involving significant surface work, are discussed. Oblique metalcutting is investigated using the ideas contained in a new algebraic model for the orthogonal machining of metals (Atkins, A. G., 2003, "Modeling Metalcutting Using Modern Ductile Fracture Mechanics: Quantitative Explanations for Some Longstanding Problems," Int. J. Mech. Sci., 45, pp. 373–396) in which significant surface work (ductile fracture toughnesses) is incorporated. The model is able to predict explicit material-dependent primary shear plane angles and provides explanations for a variety of well-known effects in cutting, such as the reduction of at small uncut chip thicknesses; the quasilinear plots of cutting force versus depth of cut; the existence of a positive force intercept in such plots; why, in the size-effect regime of machining, anomalously high values of yield stress are determined; and why finite element method simulations of cutting have to employ a "separation criterion" at the tool tip. Predictions from the new analysis for oblique cutting (including an investigation of Stabler's rule for the relation between the chip flow velocity angle C and the angle of blade inclination i) compare consistently and favorably with experimental results.