The role of elastic/plastic mismatch on the contact crack initiation is investigated for designing desirable surface-coated asymmetric layered composites. Various layered composites such as $Si_3N_4$ ceramics on $Si_3N_4+BN$ composite, soda-lime glass on various substrates with different elastic modulus for the analysis. Spherical indentation is conducted for producing contact cracks from the surface or interface between the coating and the substrate layer. A finite element analysis of the stress fields in the loaded layer composites enables a direct correlation between the damage patterns and the stress distributions. Implications of these conclusions concerning the design of asymmetric layered composites indicate that the elastic modulus mismatch is one of the important parameter for designing layered composite to prevent the initiation of contact cracks.
The object of this study is to achieve a gteater understanding of meterial removal process and its mechanism. In this study, some applications of finite element techniques are applied to analyze the chip formation and cutting heat generation mechanism of metal cutting. To know the effect of cutting parameters, simulations employed some independent cutting variables change, such as constitutive deformation laws of workpiece and tool material, frictional coefficients and tool-chip contact interfaces, cutting speed, tool rake angles, depth of cut and this simulations also include large elastic-plastic defor- mation, adiabetic thermal analysis. Under a usual plane strain assumption, quasi-static, thermal-mechanical coupling analysis generate detailed informations about chip formation process and cutting heat generation mechanism Some cutting parameters are affected to cutting force, plastic deformation of chip, shear plane angle, chip thickness and tool-chip contact length and reaction force on tool, cutting temperature and thermal behavior. Several aspects of the metal cutting process predicted by the finite element analysis provide information about tool shape design and optimal cutting conditions.
Green's functions are obtained in exact closed-forms for the elastic fields in bi-material elastic solids with slipping interface and differing transversely isotropic properties induced by concentrated point and ring force vectors. For the concentrated point force vector, the Green functions are expressed in terms of elementary harmonic functions. For the concentrated ring force vector, the Green functions are expressed in terms of the complete elliptic integral. Numerical results are presented to illustrate the effect of anisotropic bi-material properties on the transmission of normal contact stress and the discontinuity of lateral displacements at the slipping interface. The closed-form Green's functions are systematically presented in matrix forms which can be easily implemented in numerical schemes such as boundary element methods to solve elastic problems in computational mechanics.
Solitro, Giovanni F;Whitlock, Keith;Amirouche, Farid;Santis, Catherine
Biomaterials and Biomechanics in Bioengineering
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제3권2호
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pp.85-104
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2016
Stability and loosening of implanted femoral stems in Total Hip Replacement have been well established as barriers to the primary concerns of osseointegration and long term implant survival. In-vitro experiments and finite element modeling have for years been used as a primary tool to assess the bone stem interface with variable methodologies leading to a wide range of micromotion, interference fit and stress shielding values in the literature. The current study aims to provide a comprehensive review of currently utilized methodologies for in-vitro mechanical testing as well as finite element modeling of both micromotion and interference of implanted femoral stems. A total of 12 studies detailed in 33 articles were selected for inclusion. Experimental values of micromotion ranged from 12 to $182{\mu}m$ while finite element analysis reported a wider range from 2.74 to $1,277{\mu}m$. Only two studies were found that modeled bone/implant contact with consideration for interference fit. In studies evaluating stem micromotion in THA, the reference surface at the bone/stem interface should be well defined. Additionally, the amount of penetration considered should be disclosed and associated with bone density and roughness.
Yaylaci, Murat;Sabano, Bahar Sengul;Ozdemir, Mehmet Emin;Birinci, Ahmet
Structural Engineering and Mechanics
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제82권3호
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pp.401-416
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2022
The aim of this study is to examine the frictionless double receding contact problem for two functionally graded (FG) layers pressed with a uniformly distributed load and resting on a homogeneous half plane (HP) using analytical and numerical methods. The FG layers are made of a non-homogeneous material with an isotropic stress-strain law with exponentially varying properties. It is assumed that the contact at the FG layers and FG layer-HP interface is frictionless. The body force of the FG layers and homogeneous HP are ignored in the study. Firstly, an analytical solution for the contact problem has been realized using the theory of elasticity and the Fourier integral transform techniques. Then, the problem modeled and two-dimensional analysis was carried out by using the ANSYS package program based on FEM. Numerical results for contact lengths and contact pressures between FG layers and FG layer-HP were provided for various dimensionless quantities including material inhomogeneity, distributed load width, the shear module ratio, and the heights of the FG layers for both methods. The results obtained using FEM were compared with the results found using the analytical formulation. It was found that the results obtained from analytical formulation were in perfect agreement with the FEM study.
The optimum design against contact crack initiation is investigated to find major parameters in designing desirable surface-coated asymmetric layered components. Hard ceramic coated soft materials with various elastic modulus mismatch are prepared for the analysis. Spherical indentation is conducted for producing contact cracks from the surface or interface between the coating and the substrate layer. A finite element analysis of the stress fields in the loaded layer components enables a direct correlation between the damage patterns and the stress distributions. Implications concerning the design of asymmetric layered components indicate that the coating thickness and the elastic modulus mismatch are important parameters for designing layered component to prevent the initiation of contact cracks.
This paper describes the thermoelastic instability arising from friction heat generation in braking and proposes the finite element methods to predict the variation of temperature and thermal deformation. In a conventional disc brake analysis, heat generation is only related with wheel speed and friction material and the interface pressure between disc and pad is assumed constant. But under dynamic braking conditions, the frictional heat causes the thermoelastic distortion that leads to more concentrated contact pressure distribution and hence more and more non-uniform temperature. In this paper, to complete the solution of the thermomechanically coupled problem, the linear relation model between pressure and temperature is proposed and demonstrated in examples of a simple two dimensional contact problem. And the two dimensional model has been extended to an annular three dimensional disc model in order to consider more realistic geometry and to provide a more accurate critical speed for automotive brake systems.
The X-ring is a elastomer with X-shaped cross-section used as a mechanical seal or gasket. Such a X-ring was equipped in a groove and compressed between two or more parts, acts as a seal on the interface. This study aims to detect contact stress and deformed shape of a X-shaped ring shell under various compressive contact conditions. A contact stress analysis was carried out by finite element analysis. The effect of compression rates and thickness design variable was analyzed. X-ring kept up the double seal until a compression rate of 20%. The maximum stresses of the X-ring was occurred at the top and bottom corner. The maximum contact stress of X-ring was rapidly increased according with the compression rate. The X-rings with thickness design variable from 1.3 mm to 1.5 mm had comparative low stress levels.
PURPOSE. A novel retentive type of implant prosthesis that does not require the use of cement or screw holes has been introduced; however, there are few reports examining the biomechanical aspects of this novel implant. This study aimed to evaluate the biomechanical features of cementless fixation (CLF) implant prostheses. MATERIALS AND METHODS. The test groups of three variations of CLF implant prostheses and a control group of conventional cement-retained (CR) prosthesis were designed three-dimensionally for finite element analysis. The test groups were divided according to the abutment shape and the relining strategy on the inner surface of the implant crown as follows; resin-air hole-full (RAF), resin-air hole (RA), and resin-no air hole (RNA). The von Mises stress and principal stress were used to evaluate the stress values and distributions of the implant components. Contact open values were calculated to analyze the gap formation of the contact surfaces at the abutment-resin and abutment-implant interfaces. The micro-strain values were evaluated for the surrounding bone. RESULTS. Values reflecting the maximum stress on the abutment were as follows (in MPa): RAF, 25.6; RA, 23.4; RNA, 20.0; and CR, 15.8. The value of gap formation was measured from 0.88 to 1.19 ㎛ at the abutment-resin interface and 24.4 to 24.7 ㎛ at the abutment-implant interface. The strain distribution was similar in all cases. CONCLUSION. CLF had no disadvantages in terms of the biomechanical features compared with conventional CR implant prosthesis and could be successfully applied for implant prosthesis.
For investigating rubber pad sheet metal forming process, the rubber pad deformation characteristics as well as the contact problem of rubber pad-sheet metal has been analyzed. In this paper, the behavior of the rubber deformation is represented by hyper-elastic constitutive relations based on a generalized Mooney-Rivlin model. Finite element procedures for the two-dimensional responses, employing total Lagrangian formulations are implemented in an implicit form. The volumetric incompressibility condition of the rubber deformation is included in the formulation by using penalty method. The sheet metal is characterized by elasto-plastic material with strain hardening effect and analyzed by a commercial code. The contact procedure and interface program between rubber pad and sheet metal are implemented. Inflation experiment of circular rubber pad identifies the behaviour of the rubber pad deformation during the process. The various form dies and scaled down apparatus of the rubber-pad forming process are fabricated for simulating realistic forming process. The obtaining experimental data and FEM solutions were compared. The numerical solutions illustrate fair agreement with experimental results. The forming pressure distribution according to the dimensions of sheet metal and rubber pads, various rubber models and rubber material are also compared and discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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