Development and experimental validation of an arbitrary Lagrangian‐Eulerian (ALE) method for soil mechanics

Abstract Large deformation problems in soil mechanics and geotechnical engineering can hardly be addressed by the traditional Lagrangian finite element method because the material and mesh motions coincide. This paper presents an arbitrary Lagrangian‐Eulerian (ALE) method in which the computational mesh is regarded as an independent reference domain to keep mesh quality acceptable throughout the calculation. The relative velocity between the material and the mesh introduces additional complexity which is treated by a Lagrange‐plus‐remap strategy in conjunction with efficient algorithms. Because thorough validation plays a crucial role, experimental model testing concerned with penetration into sand have been carried out and back‐analyzed by using the ALE method. Entwicklung und experimentelle Validierung einer allgemeinen Lagrange‐Euler (ALE) Methode für Bodenmechanik. Bodenmechanische und geotechnische Problemstellungen mit großen Verformungen können mit der traditionellen Lagrange'schen Finite Elemente Methode kaum gelöst werden, weil hierbei die Bewegung des Netzes der des Materials entspricht. Dieser Beitrag präsentiert eine allgemeine Lagrange‐Euler (ALE) Methode, bei der das Netz als unabhängiges Referenzgebiet betrachtet wird, um die Qualität des Netzes während der gesamten Berechnung aufrecht zu erhalten. Der sich aus der Relativgeschwindigkeit zwischen Material und Netz ergebende Zuwachs an Komplexität wird mittels einer Lagrange‐plus‐Remap Strategie und effizienten Algorithmen behandelt. Weil die sorgfältige Validierung eine wichtige Rolle spielt, wurden experimentelle Modellversuche zur Penetration in Sand durchgeführt und mit Hilfe der ALE Methode nachgerechnet.