The purpose of this study is to optimize parameters of a contact model to obtain similar ground contact force of human walking. Dynamic walking simulation considering ground contact is performed to determine load specifications when developing walking assist robots. Large contact forces that are not observed in actual experimental data occur during the simulation at the initial contact (e.g., heel contact). The large contact force generates unrealistic large joint torques. A lower exoskeleton robot with no ankles is developed with the Matlab simscape and the nonlinear hyper volumetric contact model is applied. Parameters of the nonlinear hyper volumetric model were optimized using actual walking contact force data. As a result of optimization, it was possible to obtain a contact force pattern similar to actual walking by removing the large contact force generated during initial contact.
Gandhi, V.C. Sathish;Kumaravelan, R.;Ramesh, S.;Sriram, K.
Structural Engineering and Mechanics
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제53권5호
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pp.1051-1066
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2015
The study aims on the effect of material dependency in elastic- plastic contact models by contact analysis of sphere and flat contact model and wheel rail contact model by considering the material properties without friction. The various materials are selected for the analysis based on Young's modulus and yield strength ratio (E/Y). The simulation software 'ANSYS' is employed for this study. The sphere and flat contact model is considered as a flattening model, the stress and strain for different materials are estimated. The simulation of wheel-rail contact model is also performed and the results are compared with the flattening model. The comparative study has also been extended for finding out the mean contact pressure for different materials the E/Y values between 150 and 660. The results show that the elastic-plastic contact analysis for materials up to E/Y=296.6 is depend on the nature of material properties and also for this material the mean contact pressure to yield strength reaches 2.65.
In multibody dynamic analysis including contact and impact, there are two major analysis methods, i.e., piecewise analysis and continuous analysis. Modeling of contact phenomena is mainly classified with a Kelvin-Voigt model or a model of Hertz contact model. In this paper, a contact module fur AutoDyn7 program was developed and implemented. Both the Kelvin-Voigt model and a model of Hertz contact law were developed. The process of this module is composed of contact distinction and the contact force calculation. Two examples were verified and compared to the commercial program DADS.
To evaluate lubrication properties by surface roughness under boundary and mixed lubrication, a new approach is suggested by both asperity flow and contact with stochastic characteristics. Many researchers already have studied the effect of surface roughness on flow. But, it has become important to research of the phenomenon of asperities contact in surfaces because the growth of asperities contact area under heavy load conditions. In this paper, flow factors in the average flow model derived by Patir and Cheng were used, and a multi-asperity contact model was included to calculate lubrication properties of a surface with a randomly generated rough surface. A numerical analysis using the average Reynolds equation with both the average flow model and the asperity contact model was conducted, and the results were compared with those from previous research. The results showed that the influence of asperities on lubrication and the friction coefficient changed rapidly on application of contact model.
Breakdown characteristics and survival probability of turn-to-turn models were investigated under ac and impulse voltage at 77K. For experiments, two test electrode models were fabricated: One is point contact model and the other is surface contact model. Both are made of copper wrapped by O.025mm thick polyimide film(Kapton). The experimental results were analyzed statistically using Weibull distribution in order to examine the wrapping number effects on voltage-time characteristics under ac voltage as well as under impulse voltage in LN$_{2}$. Also survival analysis were performed according to the Kaplan-Meier method. The breakdown voltages of surface contact model are lower than that of point contact model, because the contact area of surface contact model is wider than that of point contact model. Besides, the shape parameter of point contact model is a little bit larger than that of surface contact model. The time to breakdown t$_{50}$ is decreased as the applied voltage is increased, and the lifetime indices slightly are increased as the number of layers is increased. According to the increasing applied voltage and decreasing wrapping number, the survival probability is increased.
During bolted flange assembly, the contact stiffness of some areas of the joint surface may be low due to the elastic interaction. In order to improve the contact stiffness at the lowest position of bolted flange, the correlation model between the initial bolt pre-tightening force and the contact stiffness of bolted flange is established in this paper. According to the stress distribution model of a single bolt, an assumption of uniform local contact stiffness of bolted flange is made. Moreover, the joint surface is divided into the compressive stress region and the elastic interaction region. Based on the fractal contact theory, the relationship model of contact stiffness and contact force of the joint surface is proposed. Considering the elastic interaction coefficient method, the correlation model of the initial bolt pre-tightening force and the contact stiffness of bolted flange is established. This model can be employed to reverse determine the tightening strategy of the bolt group according to working conditions. As a result, this provides a new idea for the digital design of tightening strategy of bolt group for contact stiffness of bolted flange. The tightening strategy of the bolted flange is optimized by using the correlation model of initial bolt pre-tightening force and the contact stiffness of bolted flange. After optimization, the average contact stiffness of the joint surface increased by 5%, and the minimum contact stiffness increased by 6%.
A precise evaluation of the contact position and the distribution of contact pressure in a wheel-rail interface analysis is one of the most important procedures to predict fatigue life and wear of wheel and rail. This paper presents the analysis result of finite element method(FEM) to investigate how the deformation of a wheelset, which is the assembly of wheel and axle of a railroad vehicle, affect the contact analysis of wheel and rail. 3D-FEM was used to analyze three contact models; a model with only wheel, a model with wheelset, and a model with simplified wheel and rail geometry. The analysis result of the contact position and the distribution of contact pressure are discussed. It is shown that the analysis results of a model with wheelset represent largest value with respect to contact pressure and contact stress. Furthermore, it is found that the distribution of contact pressure and the contact position is highly affected by the deformation of wheel and axle. It is concluded that the deformation of axle should be considered to evaluate the exact contact parameters in a wheel-rail contact analysis.
The dynamic characteristics of valve train are responsible for the dynamic performances of engine. We derived the equation of motion for 6 degrees of freedom model of the valve train. Computer model is also developed with flexible multibody model considering contact between components. The simulation results with these two models are compared with experimental results. We investigated the effect of the two spring models, TSDA (Translational Spring Damper Actuator) element and flexible body model, on the valve behavior and spring force. It is found that the dynamic behavior of the two models are not very different at normal operational velocity of the engine. By modeling contact between cam and tappet, the stress distributions of the cam were found. Using stress distribution obtained, contact width and contact stresses of the cam surface were calculated with Hertz contact theory.
A simple computational model for modeling of subsurface crack growth under cyclic contact loading is presented. In this model, it is assumed that the initial fatigue crack will initiate in the region of the maximum equivalent stress at certain depth under the contacting surface. The position and magnitude of the maximum equivalent stress are determined by using the equivalent contact model, which is based on the Hertzian contact conditions with frictional forces. The virtual crack extension method is used for simulation of the fatigue crack growth from the initial crack up to the formation of the surface pit due to contact fatigue. The relationships between the stress intensity factor and crack length are then determined for various combinations of equivalent contact radii and loadings.
It is necessary to analyze the exact contact position and contact stress of the wheel-rail in order to predict damage to the wheel and rail. This study presents a wheel-rail contact analysis model that considers the deformation of the axle. When a wheel-rail contact analysis is performed using a full three-dimensional model of the wheelset and rail, the analytical model becomes very inefficient due to the increase in analysis time and cost. Therefore, modeling the element-coupling model of the wheel and rail as a three-dimensional element and the axle as a one-dimensional element is proposed. The wheel-rail contact characteristics in the proposed analysis model for straight and curved lines were analyzed and compared with the conventional three-dimensional analysis model. Considering the accuracy of the analysis results and time, the result shows that the proposed analytical model has almost the same accuracy as a full three-dimensional model, but the computational effort is significantly reduced.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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