Two-dimensional elastic contact problems, including normal, tangential, and rolling contacts, are treated with the finite element method in this study. Stress boundary conditions and kinematic conditions are transformed into multiple point constraints for nodal displacements in the finite element method. Upon imposing these constraints into the finite element system equations, the calculated nodal stresses and nodal displacements satisfy stress and displacement contact conditions exactly. Frictional and frictionless contacts between elastically identical as well as elastically dissimilar materials are treated in this study. The contact lengths, sizes of slip and stick regions, the normal and the shear stresses can be found.
Many applications in mechanical design involve elastic bodies coming into contact under the action of the applied load. The distribution of the contact pressure throughout the contact interface plays an important role in the performance of the contact system. In many applications, it is desirable to minimize the maximum contact pressure or to have an approximately uniform contact pressure distribution. Such requirements can be attained through a proper design of the initial surfaces of the contacting bodies. This problem involves a combination of two disciplines, contact mechanics and shape optimization. Therefore, the objective of the present paper is to develop an integrated procedure capable of evaluating the optimal shape of contacting bodies. The adaptive incremental convex programming method is adopted to solve the contact problem, while the augmented Lagrange multiplier method is used to control the shape optimization procedure. Further, to accommodate the manufacturing requirements, surface parameterization is considered. The proposed procedure is applied to a couple of problems, with different geometry and boundary conditions, to demonstrate the efficiency and versatility of the proposed procedure.
A finite element code is developed for 3-D self-contact problems, using continuum elements with a SRI(Selective Reduced Integration) scheme to prevent locking phenomenon by the incompressibility of rubber. Contact treatment is carried out in two ways : using the displacement constraints in case of rigid contact ; and imposing the same contact forces on two contact boundaries in case of self-contact. The finite element code developed is applied to the deformation analysis of C.V.joint boots which maintain lubrication conditions and protect the C.V.joint assembly from impact and dust. The boot accompanies large rotation depending on the rotation of the wheel axis and leading to the self-contact phenomena of the boot bellows. Since this contact phenomenon causes wear of the product and has great influence on the endurance life of the product, it is indispensable to carry out stress analysis of the rubber boots. In case of self-contact, various methods for determining contact forces have been suggested with an appropriate contact formulation. Especially, the types of penetration in self-contact are modularized to accelerate conputation with a contact algorithm.
The numerical techniques are presented to solve the static and dynamic contact problems of deformable bodies having large rotations of the contact surfaces. The contact conditions on the possible contact surfaces are enforced by using the contact error vector, and an iterative scheme similar to augmented Lagrange multiplier method is employed to reduce the contact error vector monotonically. For dynamic contact problems using implicit time integration, a contact error vector is also defined by combining the displacement, velocity, and acceleration on the contact surface. The suggested iterative technique is implemented to ABAQUS by using the UEL subroutine UEL. In this work, after the computing procedures to solve the frictional contact problems are explained, the numerical examples are presented to compare the present solutions with those obtained by ABAQUS.
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.
An experimental method based on contact resonance is developed to extract the contact parameters of mechanical joints under various clamped conditions. Mechanical joint parameters of shear contact stiffness and damping were extracted for different physical joint parameters such as surface finish of the mating surfaces, the presence of lubrication, the effect of the clamping pressure, and shear load. It was found that the shear contact stiffness values decreased with increasing clamping load and increased with increasing shear loading. Contact damping ratio values were almost constant with clamping load, but decreased with increasing shear load. Moreover, rough surfaces exhibited the highest shear stiffness and contact damping compared to smooth surfaces.
The solidification process of Al 4.5%Cu alloy is numerically studied in the presence of contact resistance between mold and cast. Natural convection is considered in the liquid and mushy regions. The porosity approach is applied to the mushy zone modeling and linear variation of the solid fraction on the temperature is assumed. Results show that the mushy region is wider in the case with a contact resistance compared to the perfect contact condition. The temperature of the cast with a temporal variation in the contact heat transfer coefficient changes very rapidly in the early stage of the casting process compared to that with constant contact heat transfer coefficient.
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.
The elongation of contact length on the line of action is considered with particular reference for roll forming of gears, and for dynamic behavior of the tooth in meshing. However there is no paper that discuss the elongation of contact length in the load meshing of gears. Based on our investigation, the contact length on the line of action elongates more than the kinematically calculated value. In rolling, as the tool approaches the workpiece, the center distance of the gears decreases by a small amount. But, the elongation of contact length is sensitive. Therefore, the contact point on the line of action is difficult to be determined, which complicates the tooth analysis. In this study, the exact relation between the elongation of contact length and the tooth space over the recess or before the approach are revealed by experiments and kinematic theory. This analytical result applies not only for rolling, but also for the single flank meshing which is done under constant center distance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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