An elastic-plastic contact analysis is developed using a semi-analytical method. The elastic contact is solved within a Hertz theorem. The reciprocal theorem with initial strains is then introduced, to express the surface geometry as a function of contact stress and plastic strains. The irreversible nature of plasticity leads to an incremental formulation of the elastic-plastic contact problem, and an algorithm to solve this problem is set up. Closed form expression, which give residual stresses and surface displacements from plastic strains, are obtained by integration of the reciprocal theorem. The distribution of contact stress, residual stress and plastic strain are obtained by the changed surface geometry.
This study presents a frictionless receding contact problem for an orthotropic elastic layer. It is assumed that the layer is supported by two rigid quarter planes and the material of the layer is orthotropic. The layer of thickness h is indented by a rigid cylindrical punch of radius R. The problem is modeled by using the singular integral equation method with the help of the Fourier transform technique. Applying the boundary conditions of the problem the system of singular integral equations is obtained. In this system, the unknowns are the contact stresses and contact widths under the punch and between the layer and rigid quarter planes. The Gauss-Chebyshev integration method is applied to the obtained system of singular integral equations of Cauchy type. Five different orthotropic materials are considered during the analysis. Numerical results are presented to interpret the effect of the material property and the other parameters on the contact stress and the contact width.
This paper focuses on the conformal contact problem. A typical example of conformal contact is the contact between a pin and hole. In particular, this paper focuses on the condition for assuming a contact stress field to be a Hertzian pressure profile by using well-known classical solutions associated with Hertzian contact. Persson first developed the conformal contact analysis method around half a century ago, but there have been no significant improvements since then. The present research also adopted this method, but developed new solutions from the viewpoint of application to structural design. The analysis began with a comparison between Persson°Øs conformal contact stress and the Hertzian stress fields. The next step was to check the differences in the normalized stress values of both. This study used the tolerance for the difference in the peak stresses of Persson°Øs solution and the Hertz solution to validate the Hertzian assumption. This gave the range for the difference in radii of the pin and hole when the contact force and mechanical properties of the material are specified. The results showed that, at a tolerance of 5%, the Hertzian assumption is valid if half of the contact angle is less than 35°ý. In addition, the Hertzian assumption holds even for a relatively long contact length, in contrast to the general incomplete contact problem. This paper discusses these results along with other aspects of the application to the design.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.15
no.4
s.97
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pp.395-403
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2005
The dynamic characteristics of delaminated smart composite laminates are studied using animproved layerwise laminate theory. The theory is capable of capturing interlaminar shear stresses that are critical to delamination. The presence of discrete delamination is modeled through the use of Heaviside unit step functions. Stress free boundary conditions are enforced at all free surfaces. Continuity in displacement field and transverse shear stresses are enforced at each ply level. In modeling piezoelectric composite plates, a coupled piezoelectric-mechanical formulation is used in the development of the constitutive equations. Numerical analysis is conducted to investigate the effect of nonlinearity in the transient vibration of bimodular behavior caused by the contact impact of delaminated interfaces. Composite plates with delamination, subject to external loads and voltage history from surface bonded sensors, are investigated and the results are compared with corresponding experimental results and plates without delamination.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2004.11a
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pp.469-475
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2004
The transient analysis of delaminated smart composite laminates is studied using an improved layerwise laminate theory. The theory is capable of capturing interlaminar shear stresses that are critical to delamination. The presence of discrete delamination is modeled through the use of Heaviside unit step functions. Stress free boundary conditions are enforced at all fee surfaces. Continuity in displacement field and transverse shear stresses are enforced at each ply level. In modeling piezoelectric composite plates, a coupled piezoelectric-mechanical formulation is used in the development of the constitutive equations. Numerical analysis is conducted to investigate the effect of nonlinearity in the transient vibration of bimodular behavior caused by the contact impact of delaminated interfaces. Composite plates with delamination, subject to external loads and voltage history from surface bonded sensors, are investigated and the results are compared with corresponding experimental results and plates without delamination.
Analytical model to calculate the contact fatigue life of rough surface is presented in this paper. The effect of surface roughness can be calculated by this model. Computational method and the theoretical basis are also discussed. Contact stresses are obtained by contact analysis of a semi-infinite solid based on the use of influence functions; the subsurface stress field is obtained using rectangular patch solutions. Mesoscopic multiaxial fatigue criterion which can yield satisfactory results for non-proportional loading is then applied to predict fatigue damage. Suitable counting method and damage rule were used to calculate the fatigue life of random loading caused by rough surface. As a result of analysis the relationship between the life and the roughness as well as the most probable depth of the crack initiation is calculated.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.4
s.175
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pp.963-971
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2000
Gerotor is a planar mechanism consisting of a rotor and lobes which form a closed space, namely a chamber. As active contact points between a rotor and lobes are subjected to very high contact stresses, wear in one or both of the rotor and lobe cannot be avoided. Therefore, in the design of Gerotor used in hydraulic motors a compromise between high torque output and contact stress is of great importance and a thorough analysis of design parameters should be conducted to achieve this compromise. In this study, a contact point is modelled as a linear spring in consideration of equivalent curvature to analyze the contact stress. As the contact stress calculation in this problem is a statically indeterminate type, a numerical iterative scheme has been adopted to obtain the solution. To fully understand the influence of design parameters on the contact stress, the relationship between pressure force, equivalent curvature, contact force and contact stress are analyzed. It is shown that the equivalent curvature of the contact point is a dominant factor that affects the maximum contact stress.
In this paper, a receding contact problem for an elastic layer resting on two quarter planes is considered. The layer is pressed by a stamp and distributed loads. It is assumed that the contact surfaces are frictionless and only compressive traction can be transmitted through the contact surfaces. In addition the effect of body forces are neglected. Firstly, the problem is solved analytically based on theory of elasticity. In this solution, the problem is reduced into a system of singular integral equations in which contact areas and contact stresses are unknowns using boundary conditions and integral transform techniques. This system is solved numerically using Gauss-Jacobi integral formulation. Secondly, two dimensional finite element analysis of the problem is carried out using ANSYS. The dimensionless quantities for the contact areas and the contact pressures are calculated under various distributed load conditions using both solutions. It is concluded that the position and the magnitude of the distributed load have an important role on the contact area and contact pressure distribution between layer and quarter plane contact surface. The analytic results are verified by comparison with finite element results.
For the purpose of clarifying the influence of welding residual stress to the fatigue crack propagations behaviour, an analytical investigation based on finite element method is performed to examine the opening behaviour of tip-closed crack in the compressive residual stress. A finite element model comprised of contact elements for the crack plane and plane stress elements for the base material is used to evaluate crack opening stress of the crack existing in the residual stress field. Also an analytical method based on the superposition principle to estimate the length of opened part of tip closed crack and the stress distribution adjacent to the crack during uploading is applied to the finite element model. The software for the analysis is ABAQUS, which is a general purpose finite element package. The results show that stresses distributed on the crack surfaces are reduced and approached to zero as the applied stresses are increased up to crack tip opening stress and no mechanical discontinuity is found at the boundary of contact elements and plane stress elements. It is verified that the opening behavior of the fatigue crack in the residual stress can be predicted by finite element method with the proposed analytical method.
In this study, the problem of discontinuous contact in two functionally graded (FG) layers resting on a rigid plane and loaded by two rigid blocks is solved by the finite element method (FEM). Separate analyzes are made for the cases where the top surfaces of the problem layers are metal, the bottom surfaces are ceramic and the top surfaces are ceramic and the bottom surfaces are metal. For the problem, it is accepted that all surfaces are frictionless. A two-dimensional FEM analysis of the problem is made by using a special macro added to the ANSYS package program The solution of this study, which has no analytical solution in the literature, is given with FEM. Analyzes are made by loading different Q and P loads on the blocks. The normal stress (σy) distributions at the interfaces of FG layers and between the substrate and the rigid plane interface are obtained. In addition, the starting and ending points of the separations between these surfaces are determined. The normal stresses (σx, σy) and shear stresses (τxy) at the point of separation are obtained along the depth. The results obtained are shown in graphics and tables. With this method, effective results are obtained in a very short time. In addition, analytically complex and long problems can be solved with this method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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