It is well known that the geometry of the articular surface has a major role in determining the position of articular contact and the lines of action for the contact forces. The contact force calculation of the knee joint under the effect of sliding and rolling is one of the most challenging issues in this field. We present a 3-D human knee joint model including sliding and rolling motions and major ligaments to calculate the lateral and medial condyle contact forces from the recovered total internal reaction force using inverse dynamic contact modeling and the Least-Square method. As results, it is believed that the patella, muscles and tendon affect a lot for the internal reaction forces at the initial heel contact stage. With increasing flexion angles during gait, the decreasing contact area is progressively shifted to the posterior direction on the tibia plateau. In addition, the medial side contact force is larger than the lateral side contact force in the knee joint during normal human walking. The total internal forces of the knee joint are reasonable compared to previous studies.
This paper discusses the issues associated with modeling frictional contact between solid bodies undergoing large deformations. The most common model for friction on contact interfaces in solid mechanics is the Coulomb friction model, in which two distinct responses are possible: stick and slip. Handling the transition between these two phases computationally has been a source of algorithmic instability, lack of convergence and non-unique solutions, particularly in the presence of large deformations. Most computational models for frictional contact have used penalty or updated Lagrangian approaches to enforce frictional contact conditions. These two approaches, however, present some computational challenges due to conditioning issues in penalty-type implementations and the iterative nature of the updated Lagrangian formulation, which, particularly in large simulations, may lead to relatively slow convergence. Alternatively, a plasticity-inspired implementation of frictional contact has been shown to handle the stick-slip conditions in a local, algorithmically efficient manner that substantially reduces computational cost and successfully avoids the issues of instability and lack of convergence often reported with other methods (Laursen and Simo 1993). The formulation of this approach, however, has been limited to the small deformations realm, a fact that severely limited its application to contact problems where large deformations are expected. In this paper, we present an algorithmically consistent formulation of this method that preserves its key advantages, while extending its application to the realm of large-deformation contact problems. We show that the method produces results similar to the augmented Lagrangian formulation at a reduced computational cost.
Sathish Gandhi, V.C.;Ramesh, S.;Kumaravelan, R.;Thanmanaselvi, M.
Structural Engineering and Mechanics
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v.44
no.1
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pp.61-72
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2012
The paper is on contact analysis of a spherical ball with a deformable flat, considering the effect of tangent modulus on the contact parameters of a non-adhesive frictionless elastic-plastic contact. The contact analysis of this model has been carried out using analysis software Ansys and Abaqus. The contact parameters such as area of contact between two consecutive steps, volume of bulged material are evaluated from the formulated equations. The effect of the tangent modulus is considered for determining these parameters. The tangent modulus are accounted between 0.1E and 0.5E of materials E/Y value greater than 500 and less than 1750. Result shows that upto an optimal tangent modulus values the elastic core push up to the free surface in the flat. The simulation is also carried out in Abaqus and result provide evidence for the volume of bulged material in the contact region move up and flow into the free surface of the flat from the contact edge between the ball and flat. The strain energy of the whole model is varied between 20 to 40 percentage of the stipulated time for analysis.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.20
no.6
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pp.761-766
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2011
In this study, the optimized design profiles between a seal ring and a seal seat of contacting seal units has been proposed based on the FEM computed results. The maximum temperatures, the thermal distortions in axial and radial directions, and maximum contact normal stresses between a seal ring and a seal seat have been analyzed for various contact sealing profiles. The FEM computed results present that the contact area between seal rings and seal seats is very important for a good tribological performance such as low friction heating, low wear, high contact normal stress in a primary sealing components. The seal surface model III in which has a small sealing contact area shows low dilatation of primary sealing components, and high contact stress between a seal ring and a seal seat. This model with small contact surface of a seal ring produces high friction heating and contact stress. But the model III produces very small deformations of contacting sealing surface because of high convection heat transfer by cooling water circulation around the seal ring surface. Thus, the analysis results recommend a short width of a primary sealing unit rather than a big width of contact surfaces of contacting seal units for reducing a leakage and axial deformation of primary seal components.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.13
no.6
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pp.474-483
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2003
In this study, the dynamic characteristics of a catenary system and pantograph supplying electrical power to high-speed trains are investigated. One of the most important issues accompanied by increasing the speed of high-speed rail is stabilization of current collection. To stabilize current collection, it is necessary the contact force between the catenary and the pantograph to be kept continuous without loss of contact. The analytical model of a catenary and a pantograph is constructed to simulate the behavior of an actual system. The analysis of the catenary based on the Finite Element Method (FEM) is performed to develop a catenary model suitable for high speed operation. The reliability of the models is verified by the comparison of the excitation test with Fast Fourier Transform (FFT) data of the actual system. The static deflection of the catenary, stiffness variation in contact lines, dynamic response of the catenary undergoing constant moving load, contact force, and each state of the pantograph model were calculated. It is confirmed that a catenary and pantograph model are necessary for studying the dynamic behavior of the pantograph system.
Partial rotor rub occurs when an obstacle on the stator of a rotating machinery disturbs the free whirling motion of the rotor, which is more common than full annular rub among the cases of rubbing in rotating machinery. 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. The orbit patterns are also measured experimentally. In order to explain the phenomena of partial rotor rub, the analytical model for the contact between the rotor and stator should be chosen carefully. In this respect, a piecewise-linear model and a rebound model using the coefficient of restitution are investigated on the basis of the experimental observations. Also, Numerical simulations for the two models of contact are done for the various system parameters of clearance, contact stiffness, and friction coefficient. The results show that the piecewise-linear model for partial rotor rub is more plausible to explain the experimental observgations.
In this paper, the contact force between two colliding bodies is modeled by using Hertz's force-displacement law and nonlinear damping function. In order to verify the appropriateness of the proposed contact force model, the drop type impact test is carried out for different impact velocities and different materials of the impacting body, such as rubber, plastic and steel. In the drop type impact experiment, six photo interrupters in series close to the collision location are installed to measure the velocity before impact more accurately. The characteristics of contact force model are investigated through experiments. The parameters of the contact force model are estimated using the optimization technique. Finally the estimated parameters are used to predict the impact force between two colliding bodies in opening action of the magnetic contactor, a kind of switch mechanism for switching electric circuits.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.15
no.2
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pp.231-239
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2009
Traction and braking of trains are due to the rolling contact of the wheel on the rail, and the rolling contact is fundamental to an understanding of the behavior of the railroad system. The way in which the forces are transmitted in the rolling contact is complex and highly nonlinear. This paper describes a rolling contact theory, a creepage model between wheel and rail, and a dynamic model of the tilting train Hanvit-200. The validity of the model is verified through simulation study using Simulink.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2010.04a
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pp.550-553
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2010
본 논문에서는 seta와 spatula로 구성된 게코(gecko) 접착 시스템의 해석을 위한 새로운 adhesive beam contact model을 제시한다. adhesive contact 해석에 있어서 기존의 JKR model은 nano pillar와 같은 형태의 접촉방식의 해석에는 매우 유용하지만, seta와 같이 보(beam)의 형상을 가지는 구조물의 접촉방식의 해석에는 부적합하다. 따라서 본 연구에서는 seta와 같은 보의 형상을 가지는 접촉 시스템의 해석을 위해 adhesive beam contact model을 제시하고, 유한요소 해석을 통하여 접촉면에서의 불균일한 응력분포 상태가 분리 메커니즘에 미치는 영향에 대한 해석 결과를 제시한다. 또한 spatula의 기하학적 형상과 보의 접촉각(contact angle)등이 seta adhesion system의 분리 메커니즘(detachment mechanism)에 미치는 영향에 대한 결과를 제시한다.
The thermal contact resistance(TCR) of nanosized contact spots has been investigated through a multiscale analysis which considers the resolution of surface topography. A numerical simulation is performed on the finite element model of rough surfaces. Especially, as the contact size decreases below the phonon mean free path, the size dependent thermal conductivity is considered to calculate the TCR. In our earlier model which follows an elastic material, the TCR increases without limits as the number of nanosized contact spots increases in the process of scale variation. However, the elastoplastic contact induces a finite limit of TCR as the scale varies. The results are explained through the plastic behavior of the two contacting models. Furthermore, the effect of air conduction in nanoscale is also investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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