Kontakt

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Aktuelle Version vom 14. Juli 2016, 14:28 Uhr

engl: contact          Kategorie: Level 1 Theorie

Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei wikipedia:Kontaktmechanik

Simulation

Kontakt ist eine Verbindung in einem Simulationsmodell, die abhängig von Zustandsgrößen die Eigenschaften der Verbindung ändert (Beispiel: eine Auflage, auf der das Bauteil aufliegt, von der es aber auch abheben kann).

Kontakt wird auch Strukturnichtlinearität genannt, weil es ein nichtlineares Verhalten der Struktur - also des Bauteils - ist. Der Kontakt ist eine Nichtlinearität der Berechnung in der Strukturmechanik. Wenn sich die Teile des Modells berühren, werden Kräfte übertragen. Wenn sich die Teile voneinander entfernen, treten keine Kräfte auf.

Üblicherweise wird Kontakt zwischen Teilen des Simulationsmodells angeordnet, die nicht fest oder direkt durchgehend miteinander verbunden sind. Zwischen den Teilen findet eine Interaktion statt, die vom Abstand der Teile zueinander abhängt. Wenn sich die Teile berühren, erfolgt eine Interaktion (Übertragung von Kräften oder Wärme). Wenn sich die Teile voneinander lösen und sich voneinander entfernen, wird die Interaktion (Übertragung) unterbrochen. Damit ist die Verbindung am Kontakt abhängig von den Verschiebungen der Teile gegeneinander, also von den Freiheitsgraden der Strukturmechanik. Durch diese Abhängigkeit stellt der Kontakt eine Nichtlinearität der Strukturmechanik dar, es ist eine iterative Lösung erforderlich. Die Auswirkungen auf andere physikalische Bereiche (Temperaturfeld, elektrisches Feld usw.) folgen dann indirekt daraus, wenn die Simulation diese Bereiche als Multiphysik-Anwendung berücksichtigt.

Bei der Simulation kann der Kontakt unterschiedliche Zustände (status) einnehmen, zum Beispiel

• offen
• geschlossen und nicht gleitend
• geschlossen und gleitend

Die numerische Abbildung des geschlossenen Kontaktes entspricht einer elastischen Verbindung. Damit muss bei einer Kraftübertragung eine (geringe) Eindringung in Kauf genommen werden. Ein idealer, unendlich steifer Kontakt ist nicht praktikabel simulierbar.

Kontakt im CAD

In dem CAD-Modell sind die Teile der Struktur nebeneinander angeordnet. Im allgemeinen werden die Soll-Abmessungen für die Teile oder die Ist-Abmessungen für montierte Systeme verwendet (Beispiel: eine vorgespannte Federung oder eine vorgespannte Schraubverbindung).

Nur in besonderen Fällen wird zwischen den Teilen eine Interaktion berücksichtigt (Beispiel: Kollisionskontrolle beim Design von Systemen).

Kontakt in der FEM-Simulation

In der FEM-Simulation der Strukturmechanik können sich die Teile bewegen und verschieben. Wenn Berührungen auftreten können und in der Simulation berücksichtigt werden sollen, dann muss die Simulation den Abstand laufend beobachten und eine Berührung erkennen und die Interaktion zwischen den Elementen und Knoten der Oberflächen herstellen. Vom Anwender muss dazu vorher bei der Diskretisierung der mögliche Kontakt zwischen den Oberflächen modelliert werden. Dazu wird

• eine Oberfläche des Modells als Ziel-Seite (target bzw. master) deklariert (im allgemeinen die Element-Oberflächen). Diese Oberfläche stellt damit die Grenze des "zulässigen" Bewegungsbereiches dar. Dieser Ziel-Seite wird
• die Gegenseite als Kontakt-Seite (contact bzw. slave) zugeordnet (im allgemeinen die Knoten oder die Gausspunkte).

Bei der Lösung der Simulation wird in jeder Iteration geprüft, ob sich die Kontakt-Seite im "zulässigen" Bewegungsbereich befindet (also entfernt von der Ziel-Seite, der Kontakt ist "offen") oder im "unzulässigen" Bewegungsbereich (also an der Ziel-Seite anliegend oder in die Ziel-Seite eingedrungen, der Kontakt ist "geschlossen").

Weitere Details zu Kontakt in der FE-Simulation finden Sie bei Kontakt: Grundlagen. Dort wird auch ein Beispiel zu dem Zusammenhang zwischen Kontakt und Starrkörper dargestellt.

Einige der vielen möglichen Konfigurationen und Spezialfälle sind in der folgenden Abbildung gezeigt.

• 3D Fläche zu Fläche: das ist der allgemeine Fall bei einem 3-dimensionalen Modell, hierbei kann auch Selbstkontakt auftreten,
• 2D Fläche zu Fläche: das ist der allgemeine Fall bei einem 2-dimensionalen Modell, wobei eigentlich die Ränder des Modells als Linien einander gegenüberstehen,
• Knoten zu Fläche: in dem Beispiel streicht das Ende eines Stabes über die Fläche von Schalen-Elementen,
• Linie zu Linie von Balken mit Doppel-T-Querschnitt: die Darstellung zeigt zwei Balken-Elemente, die sich kreuzen, hier muss der Kontakt der Profil-Außenseiten simuliert werden,
• Linie zu Linie von gewundenen Drahtquerschnitten: hier besteht das Modell aus Stab-Elementen, die als Litze verdreht sind,
• Linie zu Linie von Kanten von Schalen-Elementen: bei diesem Modell stehen Bauteile aus Schalen-Elementen aufeinander.

Bei der numerischen Lösung kann durch Kontakte ein hoher Aufwand entstehen. Stellen Sie sich zum Beispiel zwei Oberflächen von Bauteilen vor, die in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind und sich berühren können. Aber: welche Stelle der einen Oberfläche trifft welche Stelle der anderen Oberfläche? Das FEM-Modell mit den Elementen und Knoten ergibt dabei die Positionen, die laufend abgefragt und beobachtet werden. Um den numerischen Aufwand zu begrenzen, wird für alle Positionen zunächst der Abstand berechnet. Wenn der Abstand sehr groß ist (im Vergleich mit einem Standard-Maß "pinball"), dann wird nichts weiter unternommen. Wenn der Abstand innerhalb des Standard-Maßes liegt, wird genauer untersucht, was vorliegt und wie sich dies ändert. Und wenn gar eine Berührung festgestellt wird, muss viel unternommen werden: eine mechanische Verbindung herstellen (Steifigkeit), Kräfte übertragen, vielleicht Reibung berücksichtigen und anderes. Der Anwender kann diesen numerischen Aufwand dadurch reduzieren, dass die Kontakte möglichst nur an den Oberflächen angeordnet werden, die auch wirklich in Kontakt kommen.

Symmetrischer Kontakt

Bei ähnlichen Seiten (Netzfeinheit, Materialdaten) wird auch symmetrischer Kontakt modelliert, bei dem jede Seite der beiden Kontaktpartner eine Doppelrolle erhält:

• eine Seite ist die Kontakt-Seite der einen Kontakt-Ziel-Paarung und Ziel-Seite der anderen Kontakt-Ziel-Paarung,
• die Gegenseite ist entsprechend invers gekennzeichnet.

Kontakt Beispiele

Auf der Seite mit Kontakt-Beispielen finden Sie weitere Anwendungen:

• Gabelstapler,
• Brückenlager,
• Befestigungslaschen,
• Selbstkontakt,
• Dichtring mit Drucklast-Umlagerung (Fluid Pressure Penetration)

Schalen-Kontakt

Der Kontakt zwischen 3-dimensionalen Volumen-Modellen in der FEM stellt eine Interaktion der Freiheitsgrade der Modelle her. Dies sind bei Volumen-Modellen die Verschiebungen (translation) an den Knoten.

Bei Modellen mit Schalen-Elementen zählen zu den Freiheitsgraden ebenso die Verdrehungen an den Knoten. Damit ergeben sich zusätzliche Anforderungen an den Kontakt.

Auch die Schalen-Dicke ist für den Kontakt wichtig, denn durch die Eck-Knoten ist die Mittelfläche des Schalen-Elementes festgelegt, der Kontakt muss aber die Außenseite (die eine halbe Schalen-Dicke von der Mittelfläche entfernt ist) berücksichtigen.

Tips und Tricks

Eine lineare Simulation kann vielleicht ausreichen!

Wenn bei Anordnungen wie der Brücke auf den Lagern in der Abbildung rechts zwar theoretisch ein Abheben möglich wäre, aber durch zuverlässige Einflüsse wie Eigengewicht nicht stattfinden wird, dann kann in der Simulation die Nichtlinearität und der dafür notwendige numerische Aufwand bei der Lösung vermieden werden. Man kann in einem solchen Fall die Bauteile direkt miteinander verbinden (also in Druck- und in Zugrichtung), die Lösung durchführen (ohne die Nichtlinearität) und bei der Auswertung prüfen und sich vergewissern, ob die Annahme zutraf und Druckkräfte vorliegen.

Numerische Genauigkeit und Reproduzierbarkeit

Wenn in einer Zeitverlauf-Simulation auch Nichtlinearitäten wie Kontakt enthalten sind, kann das Ergebnis durchaus sensibel auf kleine Änderungen der Eingabewerte reagieren. Dies wird bei Zeitverlauf-Simulation_Kontakt_Genauigkeit weiter im Detail erläutert.

Kontrolle der Kontakte im Simulationsmodell

Bei komplexen Simulationsmodellen mit vielen Einzelteilen vertraut man meistens auf die automatische Anordnung der Kontakte durch die Software. Ziel dieser Anordnung ist es, dass alle Einzelteile in Verbindung stehen und je nach Lastrichtung bei Berührung Kräfte (in der Strukturmechanik oder entsprechende Lastgrößen in Temperaturfeldern usw.) übertragen werden und andernfalls bei einem Abstand der Einzelteile voneinander keine Interaktion stattfindet. Eine Kontrolle der einzelnen Verbindungen kann aufwändig sein. Dann sind auch folgende Möglichkeiten durch Simulationen und Bewertung der Ergebnisse gegeben:

• eine statische Simulation mit wenigen Lasten durchführen und den Lastfluss und die Auflagerreaktionen prüfen (Gleichgewichtskontrolle): der Lastfluss muss plausibel sein, die Summe der Auflagerreaktionen muss der Summe der Lasten entsprechen,
• eine statische Simulation mit großen Verschiebungen und großen Verdrehungen durchführen und die Verschiebungen und Spannungen prüfen: durch die Kontakte darf keine zusätzliche Festhaltung oder Zwängung auftreten, oder
• eine Modalanalyse durchführen und die Eigenwerte, Eigenfrequenzen und Eigenformen prüfen: der Anfangs- oder Montagezustand des Bauteils muss plausibel erkennbar sein.

HPC high performance computing

Oft wird leistungsfähige Hardware dadurch genutzt, dass man Prozessoren oder Kerne oder Computer parallel arbeiten lässt. Dazu wird das Modell in Gruppen von Elementen (domains) zerlegt (Matrix-Dekomposition oder domain decomposition) und die Lösung gruppenweise parallel ausgeführt und dadurch ein Zeitgewinn (speed-up) erreicht. Der Anwender sollte bei der Nutzung dieser Methode beachten, dass die einzelnen Elementgruppen (domains) unabhängig voneinander sein sollten, so dass die Lösung ohne Datenaustausch untereinander stattfinden kann. Kontakt- und Target-Elemente sollten so arrangiert werden, dass sie jeweils nur innerhalb einer Elementgruppe (domain) liegen.

Selbststudium

Sie können hier einige (gar nicht so leichte) Verständnisfragen finden und Ihre Kenntnisse auf die Probe stellen:

• Strukturmechanik Modalanalyse Kontakt

In dem Artikel Friction induced vibration (CADFEM Journal/Infoplaner 2006-2, Seite 42-43) werden die Grundlagen von Reibungs-induzierten Schwingungen dargestellt.

Sonstige Begriffe

Thermischer Kontakt beschreibt das Verhalten eines Bauteils, das

• in Hinsicht auf die Strukturmechanik auf Verschiebungen, Dehnungen und Spannungen und zusätzlich gleichzeitig
• in Hinsicht auf die aktuellen Temperaturen

simuliert wird. Wenn bei einem solchen Bauteil ein Kontakt zu simulieren ist, dann ergibt sich abhängig von der Berührung im Kontaktbereich sich auch eine Änderung des thermischen Verhaltens. Bei Berührung gibt es eine gute Wärmeübertragung, während bei einem Abstand eine Isolierwirkung auftritt. Diese miteinander gekoppelte Kontaktbedingung ist der thermische Kontakt.

Praktische Vorgehensweise als Video

Eine Darstellung der praktischen Vorgehensweise finden Sie auf dem CADFEM YouTube Kanal. Das dort angebotene CADFEM Tutorial Nr. 6 - Handhabung von Kontakten in ANSYS®Workbench™ zeigt eine Simulation mit Kontakten.