Analyse des contraintes d'interfaces non homogenes avec frottement non lineaire-etude non lineaire de contact par la methode des elements de frontiere

A non linear boundary element code capable of treating contact problems with nonlinear friction and initial interference between two bodies is initially developed and validated. It is then used to perform thorough stress analysis of a biomechanical problem: a pull-out test.

In contrast to the finite element method, the elaboration of the contact problems does not need a special link element to ensure the compatibility of stresses and displacements. Since the degrees of freedom in the boundary element problems are the displacements and the tractions on each element, the compatibility is dealt directly with some continuity equations at the interface.

The pull-out tests are simulated by two press-fitted cylinders. A number of interface friction properties (Coulomb, bilinear and non linear friction) and boundary conditions are studied to investigate their influence on the displacements, stress distribution at the interface and the final resistance of the interface. The effect of the press-fit combined with the presence of a horizontal load are also studied. Comparison of the present predicted results with those of the experimental and finite element studies demonstrates a reasonable agreement.

The stress distribution is not uniform on the interface and is influenced by different configurations. The ultimate resistance of the interface is very dependent on the choice of materials and boundary conditions. For the same combination of material and boundary conditions, the application of a combined load (axial + shear in equal proportion) decreases the final resistance of the interface by 20% compared to the axial loading alone. (Abstract shortened by UMI.)

Alternate abstract:

Un code d'élément de frontière non linéaire capable de traiter les problèmes de contact avec frottement non linéaire et interférence initiale entre deux corps est initialement développé et validé. Il est ensuite utilisé pour effectuer une analyse approfondie des contraintes d'un problème biomécanique : un test d'arrachement.

Contrairement à la méthode des éléments finis, l'élaboration des problèmes de contact ne nécessite pas d'élément de liaison particulier pour assurer la compatibilité des contraintes et des déplacements. Puisque les degrés de liberté dans les problèmes d'éléments aux frontières sont les déplacements et les tractions sur chaque élément, la compatibilité est traitée directement avec certaines équations de continuité à l'interface.

Les essais d'arrachement sont simulés par deux vérins emmanchés. Un certain nombre de propriétés de frottement d'interface (frottement coulombien, bilinéaire et non linéaire) et de conditions aux limites sont étudiées pour étudier leur influence sur les déplacements, la distribution des contraintes à l'interface et la résistance finale de l'interface. L'effet de l'emmanchement combiné à la présence d'une charge horizontale sont également étudiés. La comparaison des résultats prédits actuels avec ceux des études expérimentales et par éléments finis démontre un accord raisonnable.

La distribution des contraintes n'est pas uniforme sur l'interface et est influencée par différentes configurations. La résistance ultime de l'interface est très dépendante du choix des matériaux et des conditions aux limites. Pour une même combinaison de matériaux et de conditions aux limites, l'application d'un chargement combiné (axial + cisaillement en proportion égale) diminue la résistance finale de l'interface de 20 % par rapport au chargement axial seul. (Résumé abrégé par UMI.)