›› 2018, Vol. 39 ›› Issue (10): 3863-3874.doi: 10.16285/j.rsm.2017.0258

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二维接触问题的互补算法及工程应用

林 姗1, 2,李春光1,孙冠华1,王水林1,杨永涛1   

  1. 1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室,湖北 武汉 430071;2. 中国科学院大学,北京 100049
  • 收稿日期:2017-02-20 出版日期:2018-10-11 发布日期:2018-11-04
  • 通讯作者: 孙冠华,男,1982年生,博士,研究员,主要从事计算岩土力学和边坡稳定性分析理论与方法等方面的研究工作。E-mail: sun_2001@163.com E-mail:lin_shan@163.com
  • 作者简介:林姗,女,1988年生,博士研究生,主要从事计算岩土力学方面的研究工作
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No. 11572009,No. 41472289);国家自然科学基金青年基金(No. 51609240)。

Complementary algorithm for 2D contact problems and its engineering application

LIN Shan1, 2, LI Chun-guang1, SUN Guan-hua1, WANG Shui-lin1, YANG Yong-tao1   

  1. 1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, Hubei 430071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049 China
  • Received:2017-02-20 Online:2018-10-11 Published:2018-11-04
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (11572009, 41472289) and the National Natural Science Foundation for Young Scientists of China (51609240).

摘要: 接触问题是一种常见的非线性问题,如何能够很好地模拟接触面的变形及受力特性,以及实现对变形体间的接触问题的真实模拟是该领域研究的难点问题。基于二维接触问题的实际物理意义,分别在法向和切向建立等价的互补模型。用非线性互补函数(NCP)中的Fischer-Burmeister(FB)函数将互补函数模型转化为非光滑方程组表达,用常规的Newton法求解。同时,基于高斯积分法可以用较少的积分点达到较高的精度,为了进一步提高求解精度,改善不连续的通病,对面-面接触模型在高斯点上对接触面进行处理,可通过调节积分点数目对求解精度进行控制,方法易于理解,实现方便。在此基础上建立二维接触有限元模型,通过一系列工程算例验证该方法的可行性与有效性。结果表明,与ABAQUS有限元的计算结果相比,该方法有着较高的精度,更真实地反映问题的实际。

关键词: 互补理论, 接触问题, 有限元, 工程应用

Abstract: Contact problem is one of the common non-linear problems. How to simulate the deformation and strength characteristics of the contact surface and realize the real simulation of the contact problem between deformers is a difficult problem in this field. Based on the physical meaning of the 2D (2 dimensional) contact problems, their equivalent complementary models are established in normal and tangential directions respectively. Then a system of non-smooth equations is employed to describe the complementary models by Fischer-Burmeister (FB) function in the NCP function, which can be solved by the conventional Newton algorithm. In addition, good accuracy of the solution can be obtained by a small number of integration points based on the Gauss integration. In order to improve its accuracy and remove its discontinuity, a procedure of the contact surface at the Gauss point is employed in the surface-to-surface contact model, in which the accuracy of the solution can be controlled by adjusting the number of integration points. The procedure is easy to understand and convenient to implement. Based on this, a 2D contact finite element model is established, and the feasibility and effectiveness of the method are verified by some engineering examples. The results show that the proposed procedure has a higher accuracy and more realistic reflection of the actual problem than ABAQUS finite element method.

Key words: complementarity theory, contact problems, finite element, engineering applications

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