Kontakt
Aus ESOCAETWIKIPLUS
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.
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").
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.
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: Drucklast-Umlagerung (Fluid Pressure Penetration)
Bei dem rechts dargestellten Dichtungsring hat der Kontaktzustand zusätzlich eine Auswirkung auf die Lastverteilung. Das Bauteil ist ein O-Ring wie im linken Teilbild dargestellt. Bei der Montage in der vorgesehenen Bauteil-Nut ergibt sich eine Verformung wie im Teilbild rechts oben dargestellt. Im Betrieb tritt zusätzlich eine Druckbelastung von einer Seite auf, hier in den Teilbildern rechts unten durch den roten Pfeil markiert. Im Vergleich der beiden Varianten rechts unten ist zu erkennen, dass sich ein deutlicher Unterschied der Spannungsverteilung im Dichtring-Querschnitt ergibt je nachdem, ob
- die Dichtwange unten links als anliegend (also der Kontakt hier als "geschlossen") betrachtet wird und die Wirkung des Druckes an der Oberfläche hier endet oder ob
- die Dichtwange unten links als anliegend (also der Kontakt hier als "geschlossen") betrachtet wird
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
Wenn bei Anordnungen wie der Brücke auf den Stützpfeilern 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.
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.
