Algorithm for Solving Discrete Contact Problems for an Elastic Layer

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

The problems of discrete contact between an elastic layer and a rigid punch with unknown areas of actual contact are considered. A variational formulation of the problems is obtained in the form of a boundary variational inequality using the Poincaré-Steklov operator, which maps normal stresses into normal displacements on a part of the elastic layer boundary. To approximate this operator, a two-dimensional discrete Fourier transform is used, for the numerical implementation of which algorithms of the fast Fourier transform are used. A minimization problem equivalent to the variational inequality is presented. As a result of its approximation, a quadratic programming problem with constraints in the form of equalities and inequalities is obtained. To numerically solve this problem, we used an algorithm based on the conjugate gradient method, which takes into account the specifics of the set of constraints. Two-parameter families of punches rectangular in plan with surface relief are constructed. As a result of computational experiments, the existence of a single envelope of contact pressure, a single envelope of normalized contact forces, and a single envelope of the relative values of the actual contact areas of microprotrusions has been established for each family of punches. The shape and position of these envelopes for a family of punches depend on the parameters of the external load and the ratio of the dimensions of the nominal contact area to the layer thickness.

作者简介

A. Bobylev

Lomonosov Moscow State University; Moscow Center of Fundamental and Applied Mathematics

编辑信件的主要联系方式.
Email: abobylov@gmail.com
Moscow, 119992 Moscow; Moscow

参考

  1. Горячева И.Г. Механика фрикционного взаимодействия. М.: Наука, 2001. 478 с.
  2. Аргатов И.И., Дмитриев Н.Н. Основы теории упругого дискретного контакта. СПб.: Политехника, 2003. 233 с.
  3. Popov V.L. Contact Mechanics and Friction. Physical Principles and Applications. Berlin, Heidelberg: Springer, 2010. 362 p. = Попов В.Л. Механика контактного взаимодействия и физика трения. От нанотрибологии до динамики землетрясений. М.: Физматлит, 2013. 352 с.
  4. Barber J.R. Contact Mechanics. Cham: Springer, 2018. 585 p.
  5. Галин Л.А. Контактные задачи теории упругости и вязкоупругости. М.: Наука, 1980. 304 с.
  6. Johnson K.L. Contact Mechanics. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1985. 452 p. = Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М.: Мир, 1989. 510 с.
  7. Goryacheva I.G., Tsukanov I.Y. Development of discrete contact mechanics with applications to study the frictional interaction of deformable bodies // Mech. Solids. 2020. V. 55. P. 1441–1462. https://doi.org/10.3103/S0025654420080099
  8. Kravchuk A.S., Neittaanmäki P.J. Variational and Quasi-Variational Inequalities in Mechanics. Dordrecht: Springer, 2007. 329 p.
  9. Wriggers P. Computational Contact Mechanics. Berlin: Springer-Verlag, 2006. 518 p.
  10. Yastrebov V.A. Numerical Methods in Contact Mechanics. New York: ISTE/Wiley, 2013. 416 p.
  11. Eck C., Jarušek J., Krbec M. Unilateral Contact Problems: Variational Methods and Existence Theorems. New York: CRC Press, 2005. 398 p.
  12. Sofonea M., Matei A. Mathematical Models in Contact Mechanics. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2012. 280 p.
  13. Capatina A. Variational Inequalities and Frictional Contact Problems. Cham: Springer, 2014. 235 p.
  14. Лурье А.И. Пространственные задачи теории упругости. М.: Гостехиздат, 1955. 492 с.
  15. Ворович И.И., Александров В.М., Бабешко В.А. Неклассические смешанные задачи теории упругости. М.: Наука, 1974. 456 с.
  16. Александров В.М., Пожарский Д.А. Неклассические пространственные задачи механики контактных взаимодействий упругих тел. М.: Изд-во “Факториал”, 1998. 299 с.
  17. Brigham E.O. The Fast Fourier Transform and Its Applications. Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1988. 448 p.
  18. Jain A.K. Fundamentals of Digital Image Processing. Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1989. 569 p.
  19. Wang Q.J., Zhu D. Interfacial Mechanics: Theories and Methods for Contact and Lubrication. Boca Raton: CRC Press, 2019. 636 p.
  20. Wang Q.J., Sun L., Zhang X., Liu S., Zhu D. FFT-Based Methods for Computational Contact Mechanics // Front. Mech. Eng. 2020. V. 6. № 61. P. 92–113. https://doi.org/10.3389/fmech.2020.00061
  21. Поляк Б.Т. Метод сопряженных градиентов в задачах на экстремум // Ж. выч. мат. мат. физ. 1969. Т. 9. № 4. С. 807–821.
  22. Dostál Z. Optimal Quadratic Programming Algorithms. With Applications to Variational Inequalities. New York: Springer, 2009. 284 p.
  23. Scalable Algorithms for Contact Problems / Ed. by Z. Dostál, T. Kozubek, M. Sadowská, V. Vondrák. New York: Springer, 2016. 340 p.
  24. Polonsky I.A., Keer L.M. A numerical method for solving rough contact problems based on the multi-level multi-summation and conjugate gradient techniques // Wear. 1999. V. 231. P. 206–219. https://doi.org/10.1016/S0043-1648(99)00113-1
  25. Бобылев А.А. Применение метода сопряженных градиентов к решению задач дискретного контакта для упругой полуплоскости // Изв. РАН. МТТ. 2022. № 2. С. 154–172. https://doi.org/10.31857/S0572329922020052
  26. Lions J.L., Magenes E. Non-Homogeneous Boundary Value Problems and Applications. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1972. 360 p. = Лионс Ж.-Л., Мадженес Э. Неоднородные граничные задачи и их приложения. М.: Мир, 1971. 372 с.
  27. McLean W. Strongly Elliptic Systems and Boundary Integral Equations. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2000. 357 p.
  28. Sauter S.A., Schwab C. Boundary Element Methods. Berlin, Heidelberg: Springer, 2011. 652 p.
  29. Hsiao G.C., Wendland W.L. Boundary Integral Equations. Berlin, Heidelberg: Springer, 2008. 620 p.
  30. Хлуднев А.М. Задачи теории упругости в негладких областях. М.: Физматлит, 2010. 252 с.
  31. Khludnev A.M., Kovtunenko V.A. Analysis of Cracks in Solids. Boston, Southampton: WIT-Press, 2000. 386 p.
  32. Sneddon I.N. Fourier transforms. NY etc.: McGraw-Hill, 1951. 542 p. = Снеддон И. Преобразования Фурье. М.: ИЛ, 1955. 667 с.
  33. Sanchez-Palencia E. Non-homogeneous Media and Vibration Theory. Berlin: Springer-Verlag, 1980. 398 p. = Санчес-Паленсия Э. Неоднородные среды и теория колебаний. М.: Мир, 1984. 472 с.
  34. Serov V. Fourier Series, Fourier Transform and Their Applications to Mathematical Physics. Cham: Springer, 2017. 534 p.
  35. Gwinner J., Stephan E.P. Advanced Boundary Element Methods. Treatment of Boundary Value, Transmission and Contact Problems. Cham: Springer, 2018. 652 p.
  36. Rjasanow S., Steinbach O. The Fast Solution of Boundary Integral Equations. New York: Springer, 2007. 284 p.
  37. Steinbach O. Numerical Approximation Methods for Elliptic Boundary Value Problems: Finite and Boundary Elements. New York: Springer, 2008. 386 p.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML

版权所有 © А.А. Бобылев, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».