Rozprawy doktorskie na temat „Modeling of electric discharge grinding”

Thesis (Ph. D.)--Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology, 2008.
Committee Chair: Steven Y Liang; Committee Member: Chen Zhou; Committee Member: David G Taylor; Committee Member: Min Zhou; Committee Member: Shreyes N Melkote.

Electrostatic discharge is of great concern to the electronics industry. It degrades and destroys large numbers of integrated circuits at every step from fabrication through packaging and testing. The goal of this research effort was the development of a device that can be used to obtain quantitative information on electrostatic discharge (ESD) in the integrated-circuit workplace. The device that was developed can be utilized in two different modes. (1) It can be used to form ESD test wafers or test chips. (2) It can be incorporated on product chips to give the ESD history of devices or monitor the process line. The technology that was examined in this work was that for floating-gate PROMS. A simple analytical model for obtaining a parameter called the ESD factor was developed. The prototype detector was designed, fabricated and tested in the Semiconductor Processing Facility of the University of Arizona. Evidence will be presented that the FLOTOX type of EEPROM functions well in its application as an ESD detector.

Electric Discharge Machining (EDM) is a process for eroding and removing material by transient action of electric sparks on electrically conductive materials immersed in a dielectric liquid and separated by a small gap. A spark-eroded surface is a surface with matt appearance and random distribution of overlapping craters. It is mechanically hard and stressed close to ultimate tensile strength of the material and sometimes covered with a network of micro cracks. The violent nature of the process leads a unique structure on the machined surface and generates residual stresses due mainly to the non-homogeneity of heat flow and metallurgical transformations. An extensive experimental study is presented to explore the surface and sub-surface characteristics together with the residual stresses induced by the process. Layer removal method is used to measure the residual stress profile in function of depth beneath. A finite element based model is proposed to determine residual stresses and compared with the experimental results. The residual stress pattern is found to be unchanged with respect to machining parameters. Thus, a unit amplitude shape function representing change in curvature with respect to removal depth is proposed. The proposed form is found as a special form of Gauss Distribution, which is the sum of two Gaussian peaks, with the same amplitude and pulse width but opposite center location that is represented by three constant coefficients. In each case, agreement with the proposed form is established with experimental results. Results have shown that these coefficients have a power functional dependency with respect to released energy.

Since their discoveries, carbon nanotubes have been widely studied, but mostly in the forms of 1D individual carbon nanotube (CNT). From practical application point of view, it is highly desirable to produce carbon nanotubes in large scales. This has resulted in a new class of carbon nanotube material, called the vertically aligned carbon nanotube arrays (VA-CNTs). To date, our ability to design and model this complex material is still limited. The classical molecular mechanics methods used to model individual CNTs are not applicable to the modeling of VA-CNT structures due to the significant computational efforts required. This research is to develop efficient structural mechanics approaches to design, model and characterize the mechanical responses of the VA-CNTs. The structural beam and shell mechanics are generally applicable to the well aligned VA-CNTs prepared by template synthesis while the structural solid elements are more applicable to much complex, super-long VA-CNTs from template-free synthesis. VA-CNTs are also highly “tunable” from the structure standpoint. The architectures and geometric parameters of the VA-CNTs have been thoroughly examined, including tube configuration, tube diameter, tube height, nanotube array density, tube distribution pattern, among many other factors. Overall, the structural mechanics approaches are simple and robust methods for design and characterization of these novel carbon nanomaterials

Comparaison des differentes modelisations electriques du systeme decharge-surface polluee utilisees dans l'etude du contournement des isolateurs. Utilisant un modele de laboratoire ou la pollution est representee par un canal rempli d'electrolyte, on a releve les valeurs de la tension de contournement en fonction de la resistance lineique du canal. Pour les resistances lineiques superieures a 7 kiloohms par centimetre, c'est le modele de rao et gopal qui est le mieux adapte; au-dessous, c'est le modele de wilkins dans lequel on poste les constantes de la decharge mesurees dans la vapeur d'eau. Nouvelle modelisation permettant de calculer, en fonction du temps, l'elongation de la decharge et le courant fourni par la source

Le travail présenté dans cette thèse est une contribution à la compréhension de la décharge et du plasma mis en jeu en spectroscopie d'émission à décharge luminescente en excitation radiofréquence à 13,56 MHz pour l'analyse des matériaux. L'étude est basée sur une caractérisation expérimentale de la décharge et du plasma. Nous avons mis au point des dispositifs de diagnostics expérimentaux (électrique et optique) permettant de mesurer la tension, le courant de décharge, la puissance injectée dans le plasma dans le cas de matériaux conducteurs, et de mesurer l'intensité d'émission de la raie d'argon à 750,4 nm. Nous avons développé un modèle analytique simple qui à partir des mesures électriques permet d'accéder à des informations sur les propriétés fondamentales du plasma (champ électrique maximum, épaisseur de gaine, densités) et avec lequel nous avons également pu déterminer un schéma électrique équivalent de la décharge. Ce modèle nous permet de caractériser l'évolution des paramètres de base du plasma en fonction de la puissance, de la pression, de la nature du matériau de cathode ou d'anode. Nous avons également utilisé un modèle numérique hybride fluide- Monte Carlo bidimensionnel de la décharge qui nous a permis de valider les résultats expérimentaux et analytiques
The work presented in this thesis is a contribution to the comprehension of the discharge and the plasma used in radiofrequency optical emission spectroscopy at 13,56 MHz for the analysis of materials. The study is based on an experimental characterization of the discharge and the plasma. We have developed experimental diagnoses devices (electric and optical) allowing to measure the voltage, the discharge current, the power injected into the plasma in the case of conducting materials, and to measure the emission intensity of the argon line at 750,4 nm. We have developed a simple analytical model which starting from the electrical measurements gives access to informations on the fundamental properties of the plasma (maximum electric field, thickness of sheath, densities) and with which we also could determine an equivalent electric circuit of the discharge. This model enables us to characterize the evolution of the basic parameters of plasma according to the power, the pressure, the nature of material of cathode or anode. We have also used a hybrid digital model fluid Monte Carlo two-dimensional of the discharge which enabled us to validate the experimental and analytical results

Etude par strioscopie de la phase leader des décharges positives dans les grands intervalles d'air soumis a une sonde manœuvre. Résultats expérimentaux en mode image par image et balayage. Etude expérimentale et modélisation des streamers sous tension continue et sous tension impulsionnelle. Calcul de la répartition spatio-temporelle de la charge de tête, des courants a l'électrode haute tension et du champ au plan. Extension du modèle aux grandes distances

La source d'ions a decharge luminescente en mode continu est utilisee en spectrometrie de masse car elle permet d'obtenir un signal intense, stable et peu discriminatoire. Nous avons etudie les differentes fonctions remplies par cette source (atomisation de l'echantillon et ionisation des produits re-emis) pour analyser son fonctionnement et l'optimiser. L'etude des processus successifs (etablissement et fonctionnement de l'auto-entretien, atomisation par pulverisation de l'echantillon, ionisation des atomes emis dans la decharge) nous a permis de montrer l'importance des parametres suivants: conditions de l'auto-entretien, energie et nature des particules incidentes sur l'echantillon, influence de la pression et de la geometrie de la cellule sur la diffusion des produits de pulverisation. Nous avons developpe des modeles pour simuler le comportement en sensibilite des courants d'ions des especes majeures et definir les conditions d'optimisation du signal. En appliquant ces conclusions, nous avons concu et realise une nouvelle cellule a echantillon plat. Les gains en sensibilite obtenus permettent d'abaisser le seuil des limites de detection de plus d'un ordre de grandeur pour une vitesse d'erosion en profondeur sensiblement reduite, gage d'une meilleure resolution en profondeur pour l'analyse des couches minces. Par ailleurs, nous avons montre l'interet et la faisabilite de la decharge luminescente en mode radiofrequence pour l'analyse des echantillons isolants sur vg9000

Etude du contournement des isolateurs pour ligne h. T. C. C. Etude graphique de la tension disruptive en fonction de la longueur de decharge. Conception des isolateurs a l'aide de modeles unidimensionnels permettant de definir un nouveau facteur de forme. Calcul numerique de la distribution du potentiel sur des isolateurs pollues ou givres

Etude d'un prototype industriel de disjoncteur pour courants alternatifs de 5 a 20 ka. Mesures des grandeurs electriques de l'arc et de la pression dans le disjoncteur pour deux gaz de remplissage (sf::(6) et azote). Modelisation de la phase de soufflage de l'arc, basee sur les equations de conservation de la masse et de l'energie, prenant en compte l'ecoulement axial de gaz et le phenomene de turbulence. Les conditions aux limites et les conditions initiales decoulent de calculs fondes sur des modelisations particulieres. Le role de la turbulence sur le transfert d'energie a ete mis en evidence, ainsi que la superiorite du sf::(6) sur l'azote en ce qui concerne le pouvoir de coupure

Calcul des coefficients de conductivite thermique, de conductivite electrique et de viscosite du melange air-cuivre a la pression atmospherique pour des temperatures comprises entre 5000 k et 14000 k et differentes valeurs de la teneur en cuivre. Dans les memes conditions de temperature et de pression, la determination de la composition d'equilibre du melange met en evidence l'evolution de la population des differentes especes chimiques en presence en fonction de la teneur en cuivre. Les caracteristiques macroscopiques de la colonne (champ electrique, profil de temperature) sont obtenues a partir du modele energetique de elenbaas-heller

L'émergence des transformateurs piézoélectriques coïncident avec le développement dans les années 1950 des céramiques ferroélectriques appartenant à la famille cristalline des pérovskites qui n'ont cessé de s'améliorer depuis. Outre la compacité dont bénéficie ces structures, les transformateurs piézoélectriques offrent des performances remarquables en terme de gain en tension et rendement utiles pour des applications nécessitant une adaptation de tension ou une isolation galvanique, parfaitement dédiés aux applications de faibles puissances à haut rendement. Toutefois, les transformateurs piézoélectriques peuvent être déviés de leurs applications premières. En effet, la dernière décennie a été marquée par l'apparition de générateur de plasma par effet piézoélectrique utilisant principalement des architectures de type transformateur. Pourtant, si quelques applications usuelles illustrent parfaitement cette interaction, la compréhension des phénomènes physiques qui en sont à l'origine reste à approfondir. L'objectif de cette thèse est d'en expliquer les fondements par une approche méthodique. Ce travail s'articule autour de plusieurs étapes comprenant la mise en oeuvre d'une méthode systématique de la modélisation analytique d'un transformateur piézoélectrique, de l'étude de la carte de champ produit par un transformateur ainsi qu'une étude expérimentale vue des bornes en guise de premières investigations. La modélisation analytique est basée sur l'exploitation du Principe de Moindre Action (PMA). A partir de la théorie linéaire de la piézoélectricité, un modèle général applicable à toutes les géométries de transformateur, exploitant des modes de couplage piézoélectrique multiples, est proposé. Son caractère multimodal est par ailleurs mis en exergue. Cette modélisation est appliquée à une structure classique de transformateur piézoélectrique de type Rosen et les résultats obtenus sont validés d'une part par une identification numérique, issue d'un logiciel de calcul par éléments finis, et d'autre part par une caractérisation expérimentale. La modélisation analytique précédente ne tient pas compte dans sa mise en oeuvre de l'influence de l'environnement dans lequel évolue le transformateur piézoélectrique. Afin de caractériser le potentiel électrique produit, un modèle numérique 2D du champ électrique environnant est proposé selon la méthode des différences finies. Ce modèle est basé sur une extension du modèle analytique précédemment développé incluant les pertes mécaniques afin de quantifier le potentiel électrique de surface. Même si l'influence du plasma est négligée en première approximation, la modélisation permet de mettre en lumière les zones de fort champ correspondant aux zones de décharges luminescentes observées expérimentalement. Finalement, afin de valider le concept de générateur de plasma piézoélectrique, une caractérisation vue des bornes du transformateur piézoélectrique de type Rosen a été entreprise. Une étude systématique du déclenchement de la décharge plasma en fonction du niveau de tension et de la pression environnante a été menée. Cette part expérimentale de l'étude constitue une approche pionnière pour qualifier le comportement électromécanique du transformateur et a ainsi permis de mettre en évidence des comportements non linéaires issus de ce mode de fonctionnement atypique qu'est la génération de décharges de surface par effet piézoélectrique.

Techniques de diagnostic spectroscopique pour la mesure des densites d'ions negatifs dans un arc de sf::(6) stabilise par parois, fonctionnant en regime stationnaire a la pression atmospherique. La temperature obtenue a partir des mesures des intensites absolues de deux raies (de s et s**(+)) a ete comparee avec celle obtenue par une modelisation du plasma basee sur l'equation de conservation de l'energie. La densite electronique a ete mesuree par l'intensite absolue du fond continu de recombinaison de s**(+). Les densites d'ions negatifs ont ete obtenues a l'aide de la loi de saha, a partir des densites d'atome du s et du f, de la densite electronique et de la temperature

Atmospheric icing affects a wide variety of man-made structures in many countries. It is generally well known to occur in countries like Japan, Canada, Iceland, Russia as well as China. When the power transmission lines are subject to icing, huge corona loss due to corona discharge or rupture of transmission lines may be caused because of the ice load. In the worst-case scenario, it would lead to power outage and collapse of tower. The objective of this study is to investigate the effects of electric field and corona discharge on ice accreted on high-voltage conductor. The research was approached by two methods, experiments and simulations. To achieve this objective, experiments were carried out by means of a corona cage in a climate room at CIGELE laboratories, University of Quebec in Chicoutimi (UQAC) and the simulations were performed by a finite element software. Rime and glaze were considered in the present study as they are thought to be the most adverse conditions for power transmission lines. The experimental results showed that the electric field has a significant influence on ice formation. Under both rime and glaze ice conditions, the weight of ice accreted on the surface of the conductor increased with electric field strength up to 20 kVrms/cm and then decreased as it is increased further. Without voltage applied on the conductor, about half of the total weight of glaze ice can be contributed by the icicle accretion. In the presence of electric field, the weight percentage of icicles could be lowered to 14%. When the water film was freezed right after they reached the bottom of the conductor, the icicle spacing was independent of electric field. If developed water pedants were formed before they were freezed, the icicle spacing decreased with an increase of electric field. Due to the repulsion force of the pendant drops at the icicle tip, the presence of electric field can result in an angle between adjacent icicles accreted on the conductor. This angle increased with an increase of conductor surface electric field. The corona loss was mainly contributed by the fundamental component. The contribution of other harmonic components on corona loss can be neglected, except for the harmonic component which was already significant in the applied voltage. The power factor of the 3rd harmonics can be used to determine whether the conductor is running below or above its corona onset voltage. If it was close to 0.5, the conductor was running near its corona onset voltage. If it was higher than 0.5, it can be expected that the conductor was operated beyond its corona onset voltage. According to the simulated results, it was found that when the electric field is no higher than 20 kVrms/cm, the ice accretion model works well. However, with the electric field increased further, the results diverged because of the generation of corona wind. Le givrage atmosphérique affecte un éventail de structures dans beaucoup de pays, tels que le Japon, le Canada, l’Islande, la Russie et également la Chine. Les lignes de transport de l’énergie électrique soumises aux accumulations de glace peuvent subir d’importantes pertes d’énergie à la suite de décharges couronne ou de rupture des conducteurs. Dans le pire des cas, ceci peut dégénérer en coupures de courant et dans l’effondrement de pylônes. L’objectif poursuivi par ce travail est l’étude des effets du champ électrique et des décharges couronne sur la glace accumulée sur les conducteurs à haute tension. Deux approches ont été utilisées dans cette recherche : l’approche expérimentale et la simulation numérique. Pour atteindre cet objectif, des expériences pratiques ont été effectuées en utilisant une configuration cylindrique montée dans une chambre climatique aux laboratoires de la CIGELE à l’université du Québec à Chicoutimi (UQAC). Quant aux simulations numériques, elles ont été réalisées par la méthode des éléments finis. Le givre lourd et le verglas ont été utilisés dans cette étude, car ces types de glace sont considérés comme les plus dangereuses pour les lignes de transport d’énergie électrique. Les résultats expérimentaux ont montré que le champ électrique a un effet significatif sur la formation de la glace. Dans des conditions de givre ou de verglas, le poids de la glace accumulée à la surface du conducteur augmente avec l’intensité du champ électrique jusqu’à 20 kVrms/cm, pour ensuite diminuer si cette intensité augmente davantage. En l’absence de tension appliquée au conducteur, environ la moitié du poids total de verglas est attribuable à l’accumulation de glaçons. En présence d’un champ électrique, le pourcentage en poids des glaçons peut diminuer jusqu’à 14%. Lorsque le film d’eau gèle immédiatement après avoir atteint la surface inférieure du conducteur, l’espacement entre les glaçons devient indépendant du champ électrique. À cause de la force de répulsion des gouttes d’eau en suspension au bout des glaçons, la présence d’un champ électrique peut résulter en la formation d’un angle entre les glaçons adjacents accumulés sur le conducteur. Cet angle augmente avec l’accroissement du champ électrique à la surface du conducteur. La perte en énergie due à l’effet couronne provient principalement de la composante fondamentale. La contribution des autres composantes harmoniques sur la perte couronne est négligeable, sauf pour la composante harmonique, qui était déjà significative dans la tension appliquée. Le facteur de puissance relatif à la 3e harmonique peut être utilisé pour déterminer si le conducteur est alimenté par une tension électrique plus basse ou plus élevé que la tension de seuil de l’effet couronne. Si le facteur de puissance est de 0.5, le conducteur est sous une tension près de la tension de seuil de l’effet couronne. S’il est supérieur à 0.5, on peut supposer que le conducteur est alimenté par une tension plus élevé que la tension de seuil de l’effet couronne. En se basant sur les résultats de la simulation, il a été observé que lorsque le champ électrique à surface du conducteur ne dépasse pas 20 kVrms/cm, le modèle d’accumulation de glace fonctionne adéquatement. Toutefois, si le champ électrique augmente davantage, les résultats divergent à cause de la génération de vent électrique.