Contact mechanics of thin films, viscoelastic materials, and frictional interfaces via Green's function molecular dynamics

Abstract

The theoretical framework of conventional contact mechanics is based on idealized as- sumptions that have shaped the field for more than 140 years. Unfortunately, these assumptions do not lend themselves to the modelling of thin films, viscoelastic materials and frictional interfaces. Therefore, the present thesis is concerned with the system- atic generalization of these assumptions and their GFMD implementation to simulate a variety of previously inaccessible, realistic contact problems. First, finite material thickness is considered in the design of film-terminated fibril struc- tures for skin adhesion. An elastic film resting on a hard foundation is effectively more stiff than its bulk counterpart, which reduces its ability to conform to counter-faces and therefore reduces the adhesion to roughness. Second, the velocity-dependence of soft, adhesive multi-asperity contacts is studied, revealing the importance of topographical saddle points and the initial configuration, from which detachment is initiated. Further- more, we identify a scaling relation describing how short-ranged microscopic interactions slow down the macroscopic relaxation of a contact. Finally, we explore the influence of interfacial friction, showing that it increases local stress concentrations and impedes the fluid flow through the interface. The reported results provide new insight into commonly neglected phenomena, whose practical significance is reinforced by direct comparisons to experiments.

Der theoretische Rahmen der konventionellen Kontaktmechanik basiert auf idealisierten Annahmen, die das Fachgebiet seit über 140 Jahren prägen. Leider eignen sich diese nicht für die Modellierung von dünnen Filmen, viskoelastischen Materialien und reibungsbe- hafteten Oberflächen. Daher widmet sich die vorliegende Dissertation der systematischen Verallgemeinerung dieser Annahmen und ihrer Umsetzung in GFMD, um zuvor unzu- gängliche, realistische Kontaktprobleme zu simulieren. Zuerst wird die endliche Materialdicke berücksichtigt bei der Modellierung von filmter- minierten Fibrillenstrukturen für die Hautadhäsion. Ein dünner, eingeklemmter Film verhält sich effektiv steifer, was seine Anpassungsfähigkeit verringert und somit auch seine Haftung auf rauen Oberflächen. Anschließend wird die Zeitabhängigkeit von wei- chen, adhäsiven Multi-Asperitätskontakten untersucht, wobei topographische Sattel- punkte und die Anfangskonfiguration die Ablösung beeinflussen. Zudem identifizieren wir eine Skalierungsbeziehung für die Verlangsamung der makroskopischen Kontaktre- laxation durch kurzreichweitige mikroskopische Wechselwirkungen. Abschließend erfor- schen wir den Einfluss von Reibung, die lokale Spannungskonzentrationen erhöht und den Flüssigkeitsfluss durch die Grenzfläche beeinträchtigt. Die Ergebnisse bieten neue Einblicke in oft vernachlässigte Phänomene, deren praktische Relevanz durch direkte Vergleiche mit Experimenten verdeutlicht wird.