This work presents a finite element formulation for coupled chemo-mechano-thermodynamical large deformation contact. The formulation is based on the contact theory of Sauer et al. (2022) that contains six coupled (but separate) fields: the deformation and temperature of the two contacting bodies, as well as an interfacial bonding field and interfacial temperature. The latter is governed by the chemical and mechanical energy dissipation at the interface. Here the focus is placed on the evolution of bonding and debonding, and how it is coupled to the mechanical and thermal contact state. Several elementary models are proposed for this based on a quadratic contact potential. The resulting contact formulation becomes very general and versatile, which is illustrated by several challenging examples. They include pressure- and gap- depended bonding, exothermic bonding reactions, thermal hardening and thermal expansion, as well as simultaneous bonding and debonding. They are based on a monolithic finite element implementation using classical and isogeometric shape functions together with implicit time integration. Its full linearization, required for the Newton-Raphson solution method, is also provided. If bonding sites are material points, the bonding variable can be condensed-out locally.


翻译:本文提出了一种针对化学-力学-热力学耦合大变形接触问题的有限元公式。该公式基于Sauer等人(2022)的接触理论,包含六个耦合(但独立)的场:两个接触体的变形和温度,以及界面粘接场和界面温度。后者由界面处的化学和机械能耗散控制。本文重点研究了粘接与脱粘的演化过程,以及其与力学和热接触状态的耦合机制。基于二次接触势能提出了若干基本模型。由此得到的接触公式具有高度的通用性和灵活性,并通过多个具有挑战性的算例加以验证。这些算例包括压力与间隙依赖型粘接、放热粘接反应、热硬化与热膨胀,以及同步发生的粘接与脱粘行为。算例基于采用经典形函数和等几何形函数以及隐式时间积分方法的整体式有限元实现。文中还提供了牛顿-拉夫森求解方法所需的完全线性化推导。若粘接位点为材料点,粘接变量可在局部进行凝聚处理。

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