This paper proposes an approximated contact force model to identify the nonlinear behavior of a fuel rod with gap supports; also, the numerical prediction of interfacial forces in the mechanical contact of fuel rods with gap supports is studied. The Newmark integration method requires the current status of the contact force, but the contact force is not given a priori. Taylor's expansion can be used to predict the unknown contact force; therefore, it should be guaranteed that the first derivative of the contact force is continuous. This work proposes a continuous and differentiable contact force model with the ability to estimate the current state of the contact force. An approximated convex and differentiable potential function for the contact force is described, and a variational formulation is also provided. A numerical example that considers the particularly stiff supports has been studied, and a fuel rod with hardening supports was also examined for a realistic simulation. An approximated proper solution can be obtained using the results, and abrupt changes from the contacting state to non-contacting state, or vice versa, can be relieved. It can also be seen that not only the external force but also the developed contact force affects the response.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.11a
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pp.341-348
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2001
In this study, nonlinear vibration analysis of the cylindrical orthotropic porous thin plate under V-shaped tension distribution with wire impact damping is considered. We make dynamic model of the plate under the tension using commercial FEM code and reduce the number of its degrees of freedom using dynamic condensation. The dynamic model of wire is obtained as lumped mass model from string equation. And then we analyze the nonlinear vibration of the plate including the impact phenomenon between the plate and the wire using the reduced mass and stiffness matrices of the plate and lumped model of the wire. The contact phenomenon between them can be described by impact contact elements composed of contact stiffness coefficients from Hertzian contact theory and contact damping coefficients from restitution coefficient between them. And we discussed the results of nonlinear vibration analysis for variations of their design parameters.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.18
no.3
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pp.59-65
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2019
In many industries, particle packing is adopted quite frequently. In the particle packing process, the Discrete Element Method (DEM) can analyze the multi-collision of particles efficiently. Two types of contact models are frequently used for the DEM. One is the linear spring model, which has the fastest calculation time, and the other is the Hertz-Mindlin model, which is the most frequently used contact model employing the DEM. Meanwhile, very tiny particles in the micrometer order are used in modern industries. In the micro length order, surface force is important to decreased particle size. To consider the effect of surface force in this study, we performed a simulation with the Hertz-Mindlin model and added the Johnson-Kendall-Roberts (JKR) theory depicting surface force with surface energy. In addition, three contact models were compared with several parameters. As a result, it was found that the JKR model has larger residual stress than the general contact models because of the pull-off force. We also validated that surface force can influence particle behavior if the particles are small.
Recent studies emphasize the importance of pivot stiffness in the analysis of tilting pad bearings (TPBs). The present paper develops a finite element model of the pad pivot and compares the predicted pivot stiffness to the results of Hertzian contact model calculations. Specifically, a finite element analysis generates tetrahedral mesh models with ~40,000 nodes for a ball-socket pivot and ~50,000 nodes for a rocker-back pivot. These models assume a frictionless boundary condition in the contact area. Increasing the applied loads on the pad in conjunction with increasing time steps ensures rapid convergence during the nonlinear numerical analysis. Predictions are performed using the developed finite element model for increasing the differential diameters between the pad pivot (or ball) and the bearing housing (or socket). The predictions show that the pivot contact area increases with decreasing differential diameters and increasing applied loads. Further, the maximum deformation occurring at the pivot center increases with increasing differential diameters and increasing applied loads. The pivot stiffness increases nonlinearly with decreasing differential diameters and increasing applied loads. Comparisons of results of the developed finite element model to those of Hertzian contact model calculations assuming a small contact area show that the latter model underestimates the pivot stiffnesses predicted by the finite element models of the ball-socket and rocker-back pivots, particularly for small differential diameters. This result implies the need for cautionduring the design of pivot stiffness by the Hertzian contact model.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.05a
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pp.277-282
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2001
Partial rotor rub occurs when an obstacle on the stator of a rotating machinery disturbs the free whirling motion of a rotor, which is more common than full annular rub for the cases of rubbing in rotating machinery. The nonlinearity due to the intermittent contacts and friction during partial rotor rub makes the phenomenon complex. The several nonlinear phenomena of superharmonics, subharmonics, and jump phenomenon are demonstrated for the partial rub using an experimental apparatus in this study. A piecewise-linear model and a rebound model using the coefficient of restitution are investigated on the basis of experimental observations in order to adopt as an analytical model of the contact between the rotor and stator during whirling motion. The contact stiffness, coefficient of restitution, and friction coefficient for the contact during partial rub are calculated from the comparison between the numerical simulation and the experimental results. Also, the numerical simulations for the model of partial rub are done for the various system parameters of clearance, contact stiffness, and friction coefficient in order to find the nonlinear behavior of partial rotor rub.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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v.3
no.2
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pp.61-71
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2002
This paper presents the dynamic analysis of indeterminate rotor systems with angular contact ball bearings subject to axial and radial loads. The reaction forces against applied radial loads significantly influence the dynamic characteristics of angular contact ball bearings. However, the reaction forces are hard to determine in the case of indeterminate rotor-bearing systems. To this end, this paper proposes a finite element model for indeterminate rotor systems with angular contact ball bearings. An improved bearing model is adopted which is originated from the Harris's bearing dynamic model. The bearing model is also extended to include centrifugal forces due to the ball and inner ring. This paper utilizes a new iterative algorithm for general, indeterminate rotor systems with angular contact ball bearings. This examples are provided to illustrate the dynamic characteristics of rotor systems with angular contact ball bearings subject to axial and radial loads. The experimental and numerical results prove that the proposed method is useful for the dynamic analysis of indeterminate rotor systems with angular contact ball bearings.
Herein, we present a numerical investigation of wear analysis of sliding systems with a constant speed subjected to Archard's wear law. For this investigation, we compared two methods: eigen-wear analysis and adaptive meshing technique. The eigen-wear analysis is advantageous to predict the evolution of contact pressure due to wear using the initial contact pressure and contact stiffness. The adaptive meshing technique in finite element analysis is employed to obtain transient wear behavior, which needs significant computational resources. From the eigen-wear analysis, we can determine the appropriate element size required for finite element analysis and the time increment required for wear evolution by a dimensionless variable above a certain value. Since the prediction of wear depends on the maximum contact pressure, the finite element model should have a reasonable representation of the maximum contact pressure. The maximum contact pressure and wear amount according to this dimensionless variable shows that the number of fine meshes in the contact area contributes more to the accuracy of the wear analysis, and the time increment is less sensitive when the number of contact nodes is significantly larger. The results derived from a two-dimensional wear model can be applied to a three-dimensional wear model.
Since impact phenomenon is highly nonlinear, the analysis and control of the contact motion has been a challenging subject. Various researches have been carried out mostly for the contact of a rigid robotic manipulator with a stiff and elastic environment. This paper is motivated by a new contact task: the in-circuit test of a printed circuit board. In this process, high speed contact occurs between a rigid probing manipulator and a plastically deformable work environment. A new dynamic model of the impact controlled probing task has been proposed, considering contact with the plastically deformable object. Approaching velocity conditions to avoid an excess of the allowable penetration depth and control the generated impact force properly are derived from the proposed model. The results of the simulation studies are made for various probing conditions and show the validity of the proposed model.
Kim, Mi-Ru;Lee, Seung-Jun;Jeong, Jae-Ho;Lee, Deug-Woo
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.17
no.4
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pp.39-46
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2018
Two surfaces that have relative motion show different characteristics according to surface roughness or surface patterns in all lubrication areas. For two rough surfaces with mixed lubrication, this paper proposes a new approach that includes the contact characteristics of the surfaces and a probabilistic method for a numerical analysis of lubrication. As the contact area of the two surfaces changes according to the loading conditions, asperity contact is very important. An average flow model developed by Patir-Cheng is central to the study of lubrication for rough surfaces. This average flow model also refers to a multi-asperity contact model for deriving a modified Reynolds equation and calculating the lubricant characteristics of a bearing surface with random roughness during fluid flow. Based on the average flow model, this paper carried out a numerical analysis of lubrication using a contact model by considering a load change made by the actual contact of asperities between two surfaces. Lubrication properties show different characteristics according to the surface patterns. This study modeled various geometric surface patterns and calculated the characteristics of lubrication.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.9
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pp.2242-2251
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1993
The mesh-based frictional contact model has been developed which does not rely on the spatial derivatives of the tool surface. Only points on the surface are evaluated from the description. which can then be simplified because of the relaxed demands placed on it. The surface tangents, normals, and corresponding derivatives at each finite-element node are evaluated directly from the finite-element mesh, in terms of the connecting nodal positions. The advantages accrue because there is no longer a need for a smooth tool surface to assure reasonable normals and derivatives. Furthermore, it can be shown that the equilibrium equations can only be properly written with a special normal derived from the mesh itself. The validity, accuracy, computation time, and stability of mesh-based contact model were discussed with the numerical examples of rounded flat-top and rough, flat-top rounded punch forming operations. Also, the forming process of a automobile inner panel section was simulated for testing the robustness of new contact model. In the discussion, the superiority of new model was examined, comparing with tool-based contact one.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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