Kontakt Beispiel
Aus ESOCAETWIKIPLUS
Die hier vorgestellten Beispiele betreffen Kontakt. Kontakt stellt eine Nichtlinearität in der Simulation dar. Details zu Kontakt finden Sie auch bei Kontakt: Grundlagen.
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Beispiel: Gabelstapler
Rechts ist ein Gabelstapler gezeigt. Ohne Ladung stehen die Räder beider Achsen fest auf dem Boden. Durch eine Ladung vorne auf der Gabel ergibt sich eine höhere Last auf der vorderen Achse, während die hintere Achse etwas entlastet wird. Bei einer bestimmten Last wird eine Grenze erreicht: die hintere Last wird soweit entlastet, dass die Kraft zum Boden gegen Null geht. Von da an lösen sich die Räder vom Boden, sie heben ab. Diese Grenze entspricht der Änderung des Kontaktes zwischen den Rädern und dem Boden von "geschlossen" zu "offen". Während im Zustand "geschlossen" die Räder auf dem Boden standen (Verschiebung Null wie der Boden, also keine Verschiebungsdifferenz) und Kräfte übertragen wurden, gibt es im Zustand "offen" ein Abheben (Verschiebungen größer Null, also Verschiebungsdifferenz) und keine Kraftübertragung. Dies ist für die Simulation als Nichtlinearität zwischen Verschiebungen und Kräften anzusehen.
Beispiel: Brückenlager
In der Abbildung rechts ist eine Brücke auf zwei Stützpfeilern dargestellt. Die Brücke wird durch ihr Gewicht nicht von diesen Pfeilern abheben. Die Verteilung der Kräfte im Bereich der Pfeilerauflage ist aber von den Verformungen der Brücke abhängig. Im FEM-Modell werden zwischen den Teilen, die sich berühren können, Kontakte modelliert. Bei der Lösung werden die jeweils aktuellen Abstände der Oberflächen der Teile abgefragt und davon abhängig der Kontakt als offen oder als geschlossen berücksichtigt.
Die farbige Darstellung im unteren Teilbild zeigt die Verformungen der Brücke. Die Berührung zwischen Brücke und Pfeilern ist davon abhängig und hier durch Kontakte angemessen modelliert.
Beispiel: Befestigungslaschen
Die rechts dargestellte Bildfolge zeigt zwei Befestigungsteile. Sie werden bei der Montage verschoben und dabei gebogen. Bei diesem Vorgang kommen unterschiedliche Bereiche der Oberflächen nacheinander in Berührung. Hierbei muss der Kontakt zwischen den Oberflächen jeweils erkennen, wo gerade eine Berührung vorliegt, dort die Kontaktkräfte berücksichtigen und durch Gleichgewichtsiterationen die Lösung für diese Position berechnen.
Beispiel: Selbstkontakt
Selbstkontakt ist eine Berührung von Oberflächen des gleichen Bauteils. Dabei ist meistens nicht von vorhinein erkennbar, welche Bereiche sich berühren werden. Bei der Diskretisierung ist also vorzusehen, dass komplette Oberflächen sowohl als mögliche Kontakt-Seite als auch als mögliche Ziel-Seite (target bzw. master) gekennzeichnet werden.
In der Abbildung rechts ist eine Dichtlippe dargestellt (hellblau), die im Betrieb zwischen festeren Bauteilen (violett) stark verformt wird. Der Kontakt zwischen der Dichtlippe und den festen Bauteilen ist "normal" wie oben beschrieben. Zusätzlich tritt bei der Verformung eine Berührung von Oberflächen der Dichtlippe mit sich selbst auf. Dies wird als Selbstkontakt bezeichnet. Hierbei ist die Oberfläche gleichzeitig die Kontakt- und die Ziel-Seite.
Beispiel: Dichtring mit Drucklast-Umlagerung (Fluid Pressure Penetration)
Bei dem rechts dargestellten Dichtring wird das mechanische Verhalten berechnet. In diesem Beispiel hat der Kontaktzustand zusätzlich eine Auswirkung auf die Verteilung der Last.
Das Bauteil ist ein Dichtring wie im linken Teilbild dargestellt. Der Dichtring wird prinzipiell wie ein O-Ring (kreisförmiger Querschnitt) verwendet, aber hier mit einem 4-eckigen abgerundeten Querschnitt, der effektiver die Rechteck-Nut ausfüllt.
Bei der Montage in der vorgesehenen Rechteck-Nut ergibt sich eine Verformung wie im Teilbild rechts oben dargestellt. Farbig sind hier die Spannungen dargestellt. Im Betrieb tritt zusätzlich eine Druckbelastung an der linken Seite auf, hier in den Teilbildern rechts unten durch den roten Pfeil markiert. Im Vergleich der beiden Varianten rechts unten ist ein deutlicher Unterschied der Spannungsverteilung im Dichtring-Querschnitt zu erkennen.
- Oftmals geht man von der Annahme aus, dass der Druck von links auf die gesamte Seitenfläche wirkt. Daraus resultiert das Ergebnis, das in dem Bild "mit Fluid-Druck" dargestellt ist. Im Bereich der Dichtwange unten links gibt es keine Berührung der Dichtung mit der Wand (also der Kontakt wird hier als "offen" betrachtet). Über das Volumen der Dichtung verteilt sich dieser Druck gut, es ergibt sich eine gute Dichtwirkung oben rechts, erkennbar an den roten Zonen hohen inneren Druckes im Dichtring-Querschnitt.
- In der Praxis führt die Verformung der Dichtung zu einem Anliegen der Dichtwange unten links (es gibt eine Berührung der Dichtung mit der Wand, der Kontakt wird hier als "geschlossen" betrachtet). Dadurch wird der Druck "abgeschnitten", die Ecke links unten wird entlastet, und über das Volumen der Dichtung ergibt sich ein geringerer Anpressdruck oben rechts, erkennbar an den nur noch gelben Zonen im Dichtring-Querschnitt. Das Resultat: ein Nachlassen der Dichtwirkung und eine mögliche Leckage entlang der Oberkante des Dichtringes. Dies kann durch die Simulation "mit Fluid Pressure Penetration" simuliert und damit verhindert werden. Durch eine Programmierung wurde hier die Interaktion von Wandpressung und Druckverteilung automatisiert.
