Kontakt

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Version vom 22. Dezember 2011, 14:34 Uhr

engl: contact          Kategorie: Level 1 Theorie

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.

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 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 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. Diese Oberfläche stellt damit die Grenze des "zulässigen" Bewegungsbereiches dar. Dieser Ziel-Seite wird
• die Gegenseite als Kontakt-Seite (contact bzw. slave) zugeordnet.

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").

Durch die Abhängigkeit von den Verschiebungen, also von den Freiheitsgraden der Strukturmechanik, stellt der Kontakt eine Nichtlinearität der Strukturmechanik dar. Bei Simulationen von Temperaturfeldern, Magnetfeldern oder anderen physikalischen Disziplinen ist Kontakt keine Nichtlinearität. Bei solchen Anwendungen kommt es auf den Status (offen, geschlossen) an, davon abhängig erfolgt die Übertragung von den entsprechenden physikalischen Kraft-Größen. Dieser Status (offen, geschlossen) kann

• sich indirekt dadurch ergeben, dass eine Multiphysik-Anwendung vorliegt, die Strukturmechanik beteiligt ist und deren Verschiebungs-Freiheitsgrade berechnet werden oder
• Einstellmöglichkeiten vorgesehen sind, mit denen der Anwender selbst den Status vorgeben kann oder
• das Programm aus den Abmessungen des Modells auf den Status schließt.

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.

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.

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.

Andere 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.