Publication: A multiscale finite element method for solving rough-surface elastic contact problems
All || By Area || By Year| Title | A multiscale finite element method for solving rough-surface elastic contact problems | Authors/Editors* | Y. Yao, M. Schlesinger, G. W. F. Drake |
|---|---|
| Where published* | Can. J. Phys |
| How published* | Journal |
| Year* | 2004 |
| Volume | 82 |
| Number | |
| Pages | 679 to 699 |
| Publisher | NRC |
| Keywords | PACS Nos.: 03.40.D, 46.30.P, 62.20.P |
| Link | |
| Abstract |
Abstract: A novel multiscale finite-element method to investigate the elastic contact of two-dimensional rough surfaces is presented. The aim of the method is to find the microscopic curve that describes the deformed shape of a solid with a smooth boundary surface in frictionless contact with a rigid rough surface. In addition, the real contact area is studied through the surface deformation. The contact traction on the contact surface and the maximum shear stress around the contact region are analyzed. This method is based on the variational inequality approach for solving the elastic frictionless contact problem. The strategy is to separate a small slice within the contact region and solve it as an independent system. Then the contact traction is obtained through iterations between the solution of the independent small slice and the solution of the total solid body. We observe a much higher pressure than the result of Hertz theory around the asperities. The main conclusions are (1)~the actual contact area and surface traction are dependent on the wavelength and amplitude of the surface roughness, (2) there is a much higher pressure around the asperities than predicted by Hertz theory, and (3) the location of maximum shear stress tends to be shifted toward the surface as compared with the case of smooth-surface contact. The method has the potential to be extended to solve three-dimensional rough contact problems. PACS Nos.: 03.40.D, 46.30.P, 62.20.P Résumé : Nous proposons une nouvelle méthode multi-échelle à éléments finis pour étudier le contact élastique de surfaces rugueuses en deux dimensions. Le but est de trouver la courbe microscopique qui décrit la surface lisse déformée d'un solide en contact sans friction avec une surface irrégulière. De plus, la vraie région de contact est étudiée via la déformation de la surface. Nous analysons l'adhérence de contact et l'effort de cisaillement autour de la région de contact. La méthode est basée sur l'approche d'inégalité variationnelle pour résoudre le problème de contact sans friction élastique. La stratégie consiste à séparer une petite tranche à l'intérieur de la région de contact et à la traiter comme un système indépendant. L'adhérence de contact est ensuite obtenue par itérations entre les solutions des petites couches indépendantes et la solution pour le corps au complet. Nous obtenons une pression beaucoup plus grande que celle prédite par la théorie de Hertz autour des irrégularités de surface. Les conclusions les plus importantes sont comme suit~: (1) l'actuelle surface de contact et l'adhérence dépendent de la longueur d'onde et de l'amplitude des aspérités de surface; (2) la pression autour des irrégularités de surface est beaucoup plus grande que celle prédite par Hertz; (3) La localisation du maximum de l'effort de cisaillement tend à se déplacer vers la surface lorsque comparé au cas de surface de contact lisse. La méthode peut être étendue aux problèmes de surface de contact rugueux en trois dimensions. [Traduit par la Rédaction] |
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