Kontakt
Aus ESOCAETWIKIPLUS
engl: contact Kategorie: Level 1 Theorie
Allgemeine Informationen hierzu finden Sie zum Beispiel bei wikipedia:Kontaktmechanik
Inhaltsverzeichnis |
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.
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.
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.
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.
