Heat transfer coefficients have great influence on finite element analysis results in elevated temperature forging processes. Experimentally calculated contact heat transfer coefficient is not suitable for one-time finite element analysis because analyzed temperature will be appeared to be too low. To get contact heat transfer coefficient for one-time finite element analysis, tool temperature in operation was measured with thermocouple and repeated finite element analysis was performed with experimentally calculated contact and cooling heat transfer coefficient. Surface temperature of active tool was obtained comparing measurement and analysis results. Contact heat transfer coefficient for one-time finite element analysis was achieved analyzing surface temperature between repeated finite element analysis and one-time finite element analysis results.
This paper is concerned with the numerical analysis of frictional contact problems in axisymmetric bodies using the rigid-plastic finite element method. A contact finite element method, based on a penalty function, are derived from variational formulations. The contact boundary condition between two deformable bodies is prescribed by the proposed algorithm. The program which can handle frictional contact problem is developed by using pre-existing rigid-plastic finite element code. Some examples used in this paper illustrate the effectiveness of the proposed formulations and algorithms. Efforts focus on the deformation patterns, contact force, and velocity gradient through the various simulations.
Adhesive contact characteristics of torus-shaped bumps were analyzed using the finite element technique considering the adhesive force. Analyses focused on the effect of rim and bump radii on the adhesive contact behavior such as the jump-to-contact behavior, adhesion hysteresis, pull-off forces, contact region and pressure, and surface and subsurface stresses. Analysis results in the absence of adhesive force were also included to examine the effect of adhesive force. The applicability of torus-shaped bumps to the MEMS structure for reduction of friction is discussed.
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.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.20
no.12
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pp.148-158
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2003
In this paper, efficient and accurate contact search algorithm is proposed for the contact problems by the finite element method. A slave node and a maser contact segment is defined using the side of a finite element on the contact surface. The specific goal is to develop techniques of reducing the nonsmoothness of the contact interactions arising from the finite element discretization of the contact surface. Contact detection is accomplished by monitoring the territory of the slave nodes throughout the calculation for possible penetration of a master surface. To establish the validity of the proposed algorithm, some different process and geometries examples were simulated. Efforts are focused on the error rate that is based on the penetrated area through the simulations fur large deformation with contact surface between deformable bodies. A proposed algorithm offers improvements in contact detection from the simulation results.
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 of Precision Engineering Conference
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2006.05a
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pp.519-520
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2006
The aim of this study was biomechanical analysis of shelf operation in patients with dysplastic hip joint by finite element contact analysis. Two dimensional CT images were used to construct the finite element models to analyze the contact pressure, and the 3D expansion of the Ninomiya's method was used in the calculation of the resultant force in the hip joint. The surgery recovered the center-edge angles to the normal anatomical range and increased the contact areas in two patients. The maximum contact pressures and von-mises stresses were decreased. The present study provides the biomechanical guideline of optimal surgical parameters to maximize the surgical efficiency and the clinical outcomes in dysplastic hip joint using the shelf operation.
This paper investigates the load sharing of double circular arc helical gears considering the influence of assembly errors. Based on a load sharing formulae, a three-dimensional finite element tooth contact analysis (TCA) is implemented with commercial software package ANSYS. The finite element grid for the double circular arc gear contact model is automatically generated by using the APDL (ANSYS Parameter Design Language) embedded in ANSYS. The realistic rotation of gears is achieved by using a coupling degree-of-freedom method. Numerical simulations are carried out to exemplify the proposed approach. The distribution of contact stress and bending stress under specific loading conditions are computed and compared with those obtained from Hertz contact theory and empirical formulae to demonstrate the efficiency of the proposed load sharing calculation formulae and TCA approach.
In this paper, a meshfree-enriched finite element method (ME-FEM) is introduced for the large deformation analysis of nonlinear path-dependent problems involving contact. In linear ME-FEM, the element formulation is established by introducing a meshfree convex approximation into the linear triangular element in 2D and linear tetrahedron element in 3D along with an enriched meshfree node. In nonlinear formulation, the area-weighted smoothing scheme for deformation gradient is then developed in conjunction with the meshfree-enriched element interpolation functions to yield a discrete divergence-free property at the integration points, which is essential to enhance the stress calculation in the stage of plastic deformation. A modified variational formulation using the smoothed deformation gradient is developed for path-dependent material analysis. In the industrial metal forming problems, the mortar contact algorithm is implemented in the explicit formulation. Since the meshfree-enriched element shape functions are constructed using the meshfree convex approximation, they pose the desired Kronecker-delta property at the element edge thus requires no special treatments in the enforcement of essential boundary condition as well as the contact conditions. As a result, this approach can be easily incorporated into a conventional displacement-based finite element code. Two elasto-plastic problems are studied and the numerical results indicated that ME-FEM is capable of delivering a volumetric locking-free and pressure oscillation-free solutions for the large deformation problems in metal forming analysis.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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