Effect of Micro- to Nanosize Inclusions upon the Thermal Conductivity of Powdered Composites with High and Low Interface Resistance

Materials for thermal management application require better control over the thermophysical properties, which has largely been achieved by fabricating powdered composite. There are, however, several factors like filler volume fraction, shape morphology, inclusion size, and interfacial thermal resistance that limit the effective properties of the medium. This paper presents a methodology to estimate the effective thermal conductivity of powdered composites where the filler material is more conductive than the matrix. Only a few theoretical models, such as Hasselman and Johnson (HJ) model, include the effect of interfacial resistance in their formulation. Nevertheless, HJ model does not specify the nature of the interfacial thermal resistance. Although Sevostianov and Kachanov (SK) method takes care of interface thickness, they, on the other hand, have not taken into account the interfacial resistance due to atomic imperfections. In the present work, HJ model has been modified using SK method and the results were compared with experimental ones from the literature. It has been found that the effect of interfacial resistance is significant in highly resistive medium at microscale compared to nanoscale, such as Cu/diamond system, while, in a highly conductive medium, like bakelite/graphite system, the effect of shape factor is more significant than interfacial thermal resistance

Experimental investigation and numerical simulation of laser beam welding induced residual stresses and distortions in AA 6056-T4 sheets for aeronautic application

Ce travail se concentre sur les mesures expérimentales et les simulations numériques des contraintes résiduelles et des distorsions induites par le soudage laser utilisant les conditions aux limites mécaniques et thermiques, appliquées dans le milieu industriel sur des plaques minces dun alliage d\u27aluminium AA 6056-T4. Plusieurs expériences de petites échelles ont été réalisées avec différents instruments, comme des thermocouples et des capteurs LVDT qui ont été utilisés pour enregistrer, respectivement, les températures et les déplacements pendant le soudage. La caméra infrarouge a été aussi utilisée pour qualifier lévolution de la température de bain fondu en fonction du temps. Les mesures de déplacements dans le plan et hors-plan ont été obtenues par stéréo-corrélation dimages. Une micrographie a été réalisée pour mesurer les dimensions de la zone de fusion. La base de données ainsi préparée a servi de point de référence pour la validation des résultats de simulation numérique. La caractérisation thermomécanique du 6056-T4 est également effectuée pour identifier les propriétés des matériaux à utiliser lors de la simulation numérique. Les simulations par éléments finis sont effectuées avec le logiciel commercial Abaqus et les modèles de source de chaleur volumétrique avec distribution Gaussienne du flux sont programmés en Fortran. Les conditions aux limites thermiques et mécaniques utilisées dans lindustrie sont intégrées aux modèles. Les analyses thermiques sont effectuées en premier pour atteindre la géométrie de zone de fusion et les champs de température souhaitées. Les analyses mécaniques sont effectuées ensuite pour prédire la déformation et létat de contraintes résiduelles. La loi de comportement du matériau est considérée élasto-plastique / élasto-viscoplastique avec écrouissage isotrope (modèle de plasticité de von Mises). Les analyses comparatives entre les résultats expérimentaux et les simulations présentent une bonne concordance des valeurs. Enfin, les états de contraintes et déformations résiduelles sont évaluées par calcul

Finite Element Analysis of Interfacial Debonding in Copper/Diamond Composites for Thermal Management Applications

Copper/diamond (Cu/D) composites are famous in thermal management applications for their high thermal conductivity values. They, however, offer some interface related problems like high thermal boundary resistance and excessive debonding. This paper investigates interfacial debonding in Cu/D composites subjected to steady-state and transient thermal cyclic loading. A micro-scale finite element (FE) model was developed from a SEM image of the Cu/20 vol % D composite sample. Several test cases were assumed with respect to the direction of heat flow and the boundary interactions between Cu/uncoated diamonds and Cu/Cr-coated diamonds. It was observed that the debonding behavior varied as a result of the differences in the coefficients of thermal expansions (CTEs) among Cu, diamond, and Cr. Moreover, the separation of interfaces had a direct influence upon the equivalent stress state of the Cu-matrix, since diamond particles only deformed elastically. It was revealed through a fully coupled thermo-mechanical FE analysis that repeated heating and cooling cycles resulted in an extremely high stress state within the Cu-matrix along the diamond interface. Since these stresses lead to interfacial debonding, their computation through numerical means may help in determining the service life of heat sinks for a given application beforehand

Effect of coherent and incoherent precipitates upon the stress and strain fields of 6xxx aluminium alloys: a numerical analysis

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Experimental investigation and numerical simulation of laser beam welding induced residual stressed and distorsions in AA 6056-T4 sheets for aeronautic application

The effort is made in this work to experimentally measure and numerically simulate the residual stresses and distortions induced by laser beam welding with industrially used thermal and mechanical boundary conditions on the thin sheets of an aluminium alloy AA 6056-T4. Several small scale experiments were carried out with various instrumentations like thermocouples and LVDT sensors, which were used to record the temperatures and displacements during welding, respectively. Infra-red camera was also used to qualify the evolution of weld pool temperature as a function of time. Measurements of in-plane and out-of-plane displacements were achieved by stereo image correlation technique. Micrography was carried out to measure the dimensions of fusion zone. The database so prepared served as benchmark for the validation of numerical simulation results. Thermo-mechanical characterisation of 6056-T4 was also performed in order to identify the material properties to be used during numerical simulation. Finite element (FE) simulations are performed with the commercial FE software Abaqus and the volumetric heat source models with Gaussian distribution of flux are programmed in Fortran. The industrially used thermal and mechanical boundary conditions are integrated in the numerical models. Heat transfer analyses are performed first in order to achieve the required weld pool geometries and temperature fields. Mechanical analyses are performed next so as to predict the distortion and the residual stress state. The material is assumed to follow elasto-plastic and/or elasto-viscoplastic law with isotropic hardening (von Mises plasticity model). The comparative analyses between the experimental and simulation results have shown good agreements. Finally, the residual stress and strain states are evaluated through simulationsVILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Analyse expérimentale et simulation numérique des contraintes résiduelles et des distorsions induites par soudage laser dans les plaques d'AA 6056-T4 pour l'application aéronautique

Ce travail se concentre sur les mesures expérimentales et les simulations numériques des contraintes résiduelles et des distorsions induites par le soudage laser utilisant les conditions aux limites mécaniques et thermiques, appliquées dans le milieu industriel sur des plaques minces d un alliage d'aluminium AA 6056-T4. Plusieurs expériences de petites échelles ont été réalisées avec différents instruments, comme des thermocouples et des capteurs LVDT qui ont été utilisés pour enregistrer, respectivement, les températures et les déplacements pendant le soudage. La caméra infrarouge a été aussi utilisée pour qualifier l évolution de la température de bain fondu en fonction du temps. Les mesures de déplacements dans le plan et hors-plan ont été obtenues par stéréo-corrélation d images. Une micrographie a été réalisée pour mesurer les dimensions de la zone de fusion. La base de données ainsi préparée a servi de point de référence pour la validation des résultats de simulation numérique. La caractérisation thermomécanique du 6056-T4 est également effectuée pour identifier les propriétés des matériaux à utiliser lors de la simulation numérique. Les simulations par éléments finis sont effectuées avec le logiciel commercial Abaqus et les modèles de source de chaleur volumétrique avec distribution Gaussienne du flux sont programmés en Fortran. Les conditions aux limites thermiques et mécaniques utilisées dans l industrie sont intégrées aux modèles. Les analyses thermiques sont effectuées en premier pour atteindre la géométrie de zone de fusion et les champs de température souhaitées. Les analyses mécaniques sont effectuées ensuite pour prédire la déformation et l état de contraintes résiduelles. La loi de comportement du matériau est considérée élasto-plastique / élasto-viscoplastique avec écrouissage isotrope (modèle de plasticité de von Mises). Les analyses comparatives entre les résultats expérimentaux et les simulations présentent une bonne concordance des valeurs. Enfin, les états de contraintes et déformations résiduelles sont évaluées par calcul.The effort is made in this work to experimentally measure and numerically simulate the residual stresses and distortions induced by laser beam welding with industrially used thermal and mechanical boundary conditions on the thin sheets of an aluminium alloy AA 6056-T4. Several small scale experiments were carried out with various instrumentations like thermocouples and LVDT sensors, which were used to record the temperatures and displacements during welding, respectively. Infra-red camera was also used to qualify the evolution of weld pool temperature as a function of time. Measurements of in-plane and out-of-plane displacements were achieved by stereo image correlation technique. Micrography was carried out to measure the dimensions of fusion zone. The database so prepared served as benchmark for the validation of numerical simulation results. Thermo-mechanical characterisation of 6056-T4 was also performed in order to identify the material properties to be used during numerical simulation. Finite element (FE) simulations are performed with the commercial FE software Abaqus and the volumetric heat source models with Gaussian distribution of flux are programmed in Fortran. The industrially used thermal and mechanical boundary conditions are integrated in the numerical models. Heat transfer analyses are performed first in order to achieve the required weld pool geometries and temperature fields. Mechanical analyses are performed next so as to predict the distortion and the residual stress state. The material is assumed to follow elasto-plastic and/or elasto-viscoplastic law with isotropic hardening (von Mises plasticity model). The comparative analyses between the experimental and simulation results have shown good agreements. Finally, the residual stress and strain states are evaluated through simulations.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Thermo-mechanical characterisation of AA 6056-T4 and estimation of its material properties using Genetic Algorithm

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Numerical simulation of breast deformation under static conditions

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Prediction of laser beam welding-induced distortions and residual stresses by numerical simulation for aeronautic application

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