Auf dieser Seite werden die erweiterten Parameter für den allgemeinen Flächen-Flächen-Kontakt in nichtlinearen Simulationen beschrieben, die mit dem programmeigenen Solver von Simulation Mechanical (SimMech-Solver) ausgeführt werden. Diese Parameter sind im Dialogfeld Optionen auf der Registerkarte Erweitert zu finden.
Abschnitt Parameter
Die ersten beiden Optionen (Optionsfelder) im Abschnitt Parameter geben den allgemeinen Kontakttyp an, der jederzeit in der Analyse auftreten kann. Diese Auswahl steuert das Verhalten der automatischen Kontaktsteifheitsberechnung. In einigen Fällen ist die Auswahl eindeutig. In anderen Fällen ist es nicht eindeutig, ob es sich um einen langsamen oder schnellen Kontakt handelt. Der Unterschied ist von der Lösungseffizienz abhängig. Alle Auswahlmöglichkeiten sollten zu genauen Ergebnissen führen. Die verfügbaren Optionen lauten wie folgt:
Langsamer Kontakt (Einpressen): Der Kontakt zwischen dem Paar ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile langsam zusammengefügt werden (geringe Geschwindigkeit) oder die Bauteile in ständigem Kontakt (Einpressen) sind. Die adaptive Kontaktsteifheit kann verwendet werden, wird vorgabemäßig jedoch nicht verwendet.
Schneller Kontakt (Stoß): Der Kontakt zwischen dem Paar ist dadurch gekennzeichnet, dass eine schnelle Änderung auftritt, wie beispielsweise Aufprall- oder Fallversuche. Die adaptive Kontaktsteifheit wird vorgabemäßig nicht verwendet, kann jedoch in einigen Fällen hilfreich sein.
Kontakttyp: Es ist etwas irreführend, Kontakt als Fläche-zu-Fläche zu beschreiben. In der Realität haben die Knoten auf einem Bauteil bzw. einer Fläche Kontakt mit den Elementflächen auf dem anderen Bauteil bzw. der anderen Fläche. Dadurch wird ein Flächendurchbruch verhindert (Ausnahme ist die Kontaktoption Punkt-zu-Punkt). Dieser Knoten-zu-Fläche-Kontakt kann unidirektional (sekundäre Knoten berühren nur primäre Flächen) oder bidirektional (primäre Knoten berühren auch sekundäre Flächen) sein. Wählen Sie eine der folgenden vier Optionen:
- Automatisch: (Dies ist die Vorgabeoption.) Der Gleichungslöser wählt zwischen den Kontakttypen Punkt zu Fläche und Fläche zu Fläche basierend auf dem Netz entlang der Kontaktflächen und den beteiligten Materialmodellen. Der Gleichungslöser bestimmt außerdem, welche Fläche als primäre Fläche agiert. (Der Gleichungslöser wechselt möglicherweise zwischen dem ersten und zweiten Bauteil bzw. der ersten und zweiten Fläche, bevor die Analyse beginnt.) Die Option Automatisch wählt möglicherweise nicht den geeignetsten Kontakttyp aus, wenn große Verformungen in der Analyse vorkommen. Überprüfen Sie in diesem Fall die Gültigkeit der Einrichtung, die der Gleichungslöser wählt. Der ausgewählte Kontakttyp wird in der Protokolldatei aufgelistet (mit der Liste der Anzahl der Elemente in jedem Bauteil). Wenn der Solver zwischen dem ersten und zweiten Bauteil bzw. der ersten und zweiten Fläche wechselt, wird das auch in der Protokolldatei aufgelistet.
- Fläche zu Fläche: Diese Option gibt an, dass ein Kontakt auftritt, wenn die Knoten auf dem sekundären Bauteil versuchen, durch die Fläche des primären Bauteils zu verlaufen, und auch wenn die Knoten auf dem primären Bauteil versuchen, durch die Fläche des sekundären Bauteils zu verlaufen. Dieser Kontakttyp entspricht dem Kontakttyp Allgemein (symmetrisch) beim Nastran-Solver.
- Punkt zu Fläche: Diese Option gibt an, dass ein Kontakt nur dann stattfindet, wenn die Knoten auf dem sekundären Bauteil versuchen, durch die Fläche des primären Bauteils zu verlaufen. Die Knoten auf dem primären Bauteil bzw. der primären Fläche können frei durch die sekundäre Fläche verlaufen. Dieser Kontakttyp entspricht dem Kontakttyp Allgemein (unsymmetrisch) beim Nastran-Solver.
- Punkt zu Punkt: Diese Methode eignet sich am besten für Situationen, in denen die beiden Flächen angepasste Netze haben und kaum aufeinander gleiten. Diese Option gibt an, dass eine Berührung stattfindet, wenn die Knoten auf dem sekundären Bauteil versuchen, durch die Knoten auf dem primären Bauteil zu verlaufen. Die Berührung zwischen dem Knoten und der Fläche auf dem primären Bauteil wird nicht ermittelt. Unabhängig davon, wie die Bauteile verschoben werden, ist die Kontaktkraft immer zwischen dem ursprünglichen Paar der Knoten, die miteinander verbunden sind. Wenn der Punkt-zu-Punkt-Kontakt erstellt wird, werden in der Ergebnisanzeige zusätzliche Bauteile im Modell angezeigt – ein Kontakt-Elementbauteil für jedes Punkt-zu-Punkt-Kontaktpaar.
Tipp: Der Punkt-zu-Punkt Kontakt erstellt denselben Elementtyp, den Sie manuell erstellen können, indem Sie Linien zwischen Knoten zeichnen und diesen den Elementtyp Kontakt zuweisen. Der Unterschied besteht darin, dass Kontaktelemente, die durch die Punkt-zu-Punkt-Option erstellt werden, anfangs die Länge 0 haben können und Kontakt hergestellt werden kann, wenn ihre Länge 0 beträgt. Manuell erstellte Kontakt-Elemente können nicht mit der Länge null gezeichnet werden, und es kann kein Kontakt hergestellt werden, wenn ihre Länge 0 beträgt.
Die Methode Punkt zu Fläche ist schneller als die Methode Fläche zu Fläche. Beachten Sie jedoch, dass bei Verwendung des Kontakts Punkt zu Fläche Punkte auf dem ersten Bauteil durch Flächen auf dem zweiten Bauteil verlaufen könnten. Fläche-Fläche-Kontakt bietet eine bessere Kontakterkennung, jedoch werden auch mehr Kontaktelemente erzeugt. In Abbildung 1 ist ein Vergleich des Verhaltens der verschiedenen Kontakttypen dargestellt.
| Fläche-Fläche-Kontakt |
Punkt-zu-Fläche-Kontakt (Block ist primäres Bauteil, Keil ist sekundäres Bauteil) (Punkte auf dem Keil stehen in Kontakt mit Flächen des Blocks) |
Punkt-zu-Fläche-Kontakt (Keil ist primäres Bauteil, Block ist sekundäres Bauteil) (Punkte auf dem Block stehen in Kontakt mit Flächen des Keils) |
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| Zeit = 0: | ||
Ersatzsystem. Die Flächen der beiden Bauteile sind durch Kontakt verbunden. |
Ersatzsystem. Nur die Knoten auf dem Keil sind vorhanden, was den Kontakt anbelangt. |
Ersatzsystem. Nur die Knoten auf dem Block sind vorhanden, was den Kontakt anbelangt. |
| Zeit = 0,024 Sekunden: | ||
Die Fläche des Blocks kommt mit der Fläche bzw. dem Knoten des Keils in Berührung. |
Die Fläche des Blocks kommt mit dem Knoten des Keils in Berührung. |
Eine Berührung findet nicht statt, bis die Knoten des Blocks mit der Fläche des Keils in Berührung kommen. Der Keil verläuft durch den Block. |
| Zeit = 0,12 Sekunden: | ||
Die Fläche des Blocks gleitet auf der Fläche des Keils hinunter. |
Der Block verläuft durch die Knoten des Keils. |
Der Block bleibt auf dem Keil haften. |
| Zeit = 0,15 Sekunden: | ||
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Abbildung 1: Vergleich von Kontakttypen Drei Modelle, bei denen ein Block auf einem Keil positioniert wird. Jedes Modell verwendet einen anderen Kontakttyp. |
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Abschnitt Kontaktsteifheit
Vorgabemäßig wird die Kontaktsteifheit automatisch durch den Solver unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet:
Dabei gilt:
- fs ist der Skalierungsparameter, und der Standardwert beträgt 0.1.
- E ist das kleinere Elastizitätsmodul für die beiden Materialien im Kontaktpaar.
- A ist das Produkt der Kontaktlinienlänge und der Dicke (2D) oder der Kontaktfläche (3D).
- V ist das Produkt des Elements und der Dicke (2D) oder des Volumens des Elements (3D).
Das Verhältnis, A2/V, wird für Elemente der primären und sekundären Flächen berechnet. Die Verhältniswerte werden für Fläche-Fläche-Kontakttypen gemittelt. Bei anderen Kontakttypen wird der Verhältniswert für die primäre Fläche verwendet. Bei einem Kontakt mit Balken- oder Stabelementen wird ein Wert von 1.0 für dieses Seitenverhältnis verwendet.
Benutzerdefiniert : Aktivieren Sie diese Option zum Überschreiben der automatischen Kontaktsteifigkeit.
Steifheit: Dieses Feld wird verfügbar, wenn die Option Benutzerdefiniert aktiviert wurde. Geben Sie einen geeigneten Wert in das Feld in Einheiten von Kraft über Länge ein.
Zusätzliche Steifigkeit: Die optionale Steifigkeit, die Sie in diesem Feld definieren, wird dem Wert für die Steifigkeit hinzugefügt, wenn ein Flächendurchbruch auftritt. Siehe Abbildung 2.
Abbildung 2: Kontaktsteifheit und Kontaktabstand
Zwischen zwei Flächen besteht Kontakt, wenn der Abstand zwischen den Flächen kleiner als der Kontaktabstandswert (S) ist. Bei einem kleineren Abstand ist die Kontaktkraft an jedem Element proportional zu dem Betrag des Drucks (S – Abstand) und zur Kontaktsteifheit (K). Wenn der Abstand gegen Null geht, beginnen die Bauteile, sich gegenseitig zu durchdringen (Durchbruch). Die Kontaktkraft ist dann proportional zu der Kontaktsteifheit sowie der zusätzlichen Kontaktsteifheit (Ka) und dem Betrag der Durchdringung. Wenn der Abstand zwischen den Flächen die maximale Durchbruchdistanz (P) erreicht, geht die Kontaktkraft gegen null, und es wird kein Widerstand mehr gegen einen Durchbruch geleistet.
Für das weichere der beiden in Kontakt befindlichen Materialien sollte der Wert für die Kontaktsteifheit in der Regel im Bereich von 1 bis 10 % (für Netzgröße "Einheit") des Elastizitätsmodulwerts liegen. Wenn die Netzgröße zu groß oder zu klein ist, muss die Prozentzahl unter Umständen etwas vergrößert oder verkleinert werden. Wenn die angenommene Steifheit zu niedrig ist, tritt übermäßiger Kontaktdurchbruch auf. Wenn die Steifheit zu hoch ist, sind Kontaktoszillation und Instabilität wahrscheinlich.
Eine andere Möglichkeit zur Schätzung der Kontaktsteifheit besteht darin, die Kontaktelemente als Gruppe von Federn zwischen den Knoten der beiden Flächen anzusehen. Wenn die Kontaktkraft bekannt ist - oder ungefähr bekannt ist - kann die Kontaktsteifheit mit K=(F/n)/Δ berechnet werden, wobei F die Kontaktkraft, n die Anzahl der Knoten im Kontakt und Δ der Betrag des Drucks in den Kontaktelementen durch den Widerstand gegen die Kraft F/n ist. Beachten Sie, dass sich die Kontaktelemente verdichten müssen, um eine Kraft zu erzeugen. Ein guter Startpunkt ist daher, für Δ 10 % des Kontaktabstands (S) zu wählen. Diese Methode könnte sich aber nur für einfache Kontaktmodelle mit normaler Geometrie als praktisch erweisen.
Adaptive Kontaktsteifheitsmethode: Wenn Sie dieses Kontrollkästchen aktivieren, wird die Kontaktsteifheit zur Verbesserung der Genauigkeit und Konvergenz die Kontaktsteifheit während der Analyse automatisch angepasst. Die Kontaktsteifheit wird basierend auf der Kontaktinteraktion angepasst (Durchbruch, kein Durchbruch, Oszillation). Mit dieser Methode können Sie in einigen Fällen genauere und effizientere Lösungen erreichen. Für Modelle, bei denen Kontakt zwischen Bauteilen besteht, die sich relativ schnell aufeinander zu bewegen, oder bei Bauteilen, die keine nichtlinearen Materialmodelle aufweisen, kann es nötig sein, diese Option zu deaktivieren.
Wenn die Steifheit zu niedrig ist, ist ein großer Durchbruch der Knoten in die Master-Fläche unvermeidlich. Wenn die Steifheit zu hoch ist, ist die geometrische Randbedingung für den Kontaktbereich genau erfüllt, aber in vielen Fällen wird die Gleichgewichtsiteration instabil. Hohe Werte für die Kontaktsteifheit ergeben schlechte Bedingungen der globalen Steifheitsmatrix und führen zu mangelhafter Konvergenz.
Abschnitt Abstand
Der Kontaktabstand wird vorgabemäßig vom Gleichungslöser aus der Geometrie des Modells berechnet. Der Kontaktabstand ist der Abstand zwischen den Flächen, an denen Kontakt auftritt. (Siehe Abbildung 2). Wenn zwei Flächen enger aneinander liegen als dieser Abstand, wird die Kontaktsteifheit angewendet.
Benutzerdefiniert: Aktivieren Sie diese Option zum Überschreiben des automatischen Kontaktabstands.
Kontaktabstand: Geben Sie einen geeigneten Wert in dieses Feld ein. Wenn z. B. Kontakt zwischen einem Quader- und einem Schalenbauteil besteht, legen Sie als Wert für den Kontaktabstand die Hälfte der Schalenelementdicke fest (da das Netz in der Mitte der Gesamtdicke ist, die die Schalenelemente darstellen).
Wenn der Kontaktabstand größer als der ursprüngliche Abstand zwischen den Flächen ist, entsteht Überlagerung (nur Fläche-zu-Fläche- und Punkt-zu-Fläche-Kontakt). Zu Beginn der Analyse tritt eine Kontaktkraft auf, die versucht, die Körper zu trennen. In diesem Fall wird der Zeitschritt in der Regel am Anfang der Analyse reduziert, bis die Bauteile ihr neues Gleichgewicht gefunden haben.
Besondere Überlegungen sind für bewegliche Bauteile mit geringen Abständen, z. B. eine Welle oder ein Pin innerhalb einer Bohrung, erforderlich. Die Lücke zwischen den Bauteilen kann mathematisch gesehen kleiner als die physische Lücke sein. Die mathematische Lücke wird durch die Größe des Netzes und die Flächennäherung bestimmt. Die physische Lücke basiert auf den Abmessungen der Bauteile. Wenn die näherungsweise bestimmten Flächen verschoben oder gedreht werden, kann eine Überlagerung erzeugt werden, die in der Realität nicht vorkommen würde. (Siehe Abbildung 3.)
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1. Eine Bohrung in einem Bauteil |
wird ein Polygon bei der Vernetzung. |
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2. Ein runder Pin |
wird ein Polygon bei der Vernetzung. |
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3. Wenn die beiden Bauteile kombiniert werden, können sie in einigen Positionen ohne Überlagerung zusammenpassen, |
sich aber in anderen Positionen überlagern (auch wenn zwischen den physischen Bauteilen Spielraum besteht). Dies liegt an der Annäherung der Flächen. |
| Abbildung 3: Spielräume und Überlagerungen ändern sich beim Vernetzen eines Bauteils | |
Um für zwei vernetzte Bauteile den gleichen Spielraum (oder die gleiche Überlagerung) zu erreichen wie zwischen den physischen Bauteile und um das richtige Kontaktverhalten zu erhalten, müssen die Abmessungen der Bauteile und der Kontaktabstand möglicherweise angepasst werden. Diese Abmessungen beziehen sich auf die Netzgröße wie in Abbildung 4 gezeigt.
Abbildung 4: Vermeiden von Überlagerungen durch die Beziehung eines Pins und einer Bohrung
Sie können den Durchmesser D zur Abmessung der Fläche F mithilfe von grundlegender Geometrie in Beziehung setzen:
Zur Vermeidung einer Presspassung legen Sie die Abmessungen anhand der folgenden Richtlinien fest:
Dabei gilt:
- D, Di, und Do sind die physischen Abmessungen (reale oder theoretische Abmessungen)
- F, Fi und Fo sind die Abmessungen der Flächen (aufgrund der Annäherung durch das Netz)
- Die Anzahl der Seiten bezieht sich auf die Seiten oder Elemente um den Umfang. Wenn das Netz um den Umfang gleichmäßig ist, ist dieser Wert offenkundig. Wenn das Netz ungleichmäßig ist, z. B. bei der Verwendung von Netzverfeinerungspunkten, ist die Anzahl der Seiten ein hypothetischer Wert, der darauf basiert, wie viele Seiten (oder Elemente) bei Verwendung des gröbsten Netzes um den gesamten Umfang vorhanden wären. Alternativ können Sie die größte Abmessung Fo im Netz messen.
- S ist der mathematische Spielraum zwischen den Ecken des Pins und den Flächen der Bohrung. Wenn der Kontaktabstand Fläche-zu-Fläche auf den gleichen Wert wie diese Abmessung festgelegt ist, gibt es an einigen Positionen zwischen Pin und Bohrung eine Lücke ohne Spielraum.
Beispiel: Vernetzen Sie einen Pin mit einem Durchmesser von 2 Zoll und eine Bohrung mit einem Durchmesser von 2.010 Zoll mit jeweils 40 Elementen. Der mathematische Spielraum S = 0.0019 Zoll. Dieser Wert ist viel kleiner als der theoretische Spielraum von 0.005 Zoll auf jeder Seite. Um einen Spielraum von 0.005 Zoll mit einem Kontaktabstand von 0.002 Zoll zu haben, muss der innere Durchmesser 1.9898 Zoll betragen, wenn S = 0.007 Zoll.