Grundlagen Linearer Kontakt - FEM und CFD · NX Nastran Gap-Elemente in linearen Kontaktanalysen for Femap Gap-Elemente als Knoten-zu-Knoten-Kontaktelemente haben ihren Ursprung in

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NX Nastran for Femap

Grundlagen Linearer Kontakt

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NX Nastran for Femap Grundlagen Verbindungen (Kontakt/Verklebung)

Modellteile können unter dem Menüpunkt Verbinden bzw. über den Modellinformationsbaum miteinander verbunden werden

Eine automatische Option sucht und erkennt sich berührende Geometrie innerhalb gegebener Toleranzen und erstellt entsprechende

Verbindungsdefinitionen.

Auf manuellem Wege sind die drei Menüpunkte Verbindungseigenschaft, Verbindungsbereich und Verbindung abzuarbeiten.

NX Nastran kennt zwei Arten von mechanischen Bauteilverbindungen: Kontakt und Verklebung.

Das Kontaktverhalten wird in NX Nastran im Rahmen einer iterativ laufenden linear-statischen Analyse (SOL 101) berücksichtigt.

Darüber hinaus können lineare Statikanalysen mit Kontakt automatisch vor Modal- und Knick-/Beulanalysen geschaltet werden. Für

die eigentliche Analyse wird dann der final ermittelte Kontakt- und Steifigkeitszustand herangezogen.

Verklebungen werden in allen gängigen NX Nastran Analysearten unterstützt.

Verbindungen können zwischen gleichen oder unterschiedlichen Elementtypen erstellt werden: 3D 3D, 3D 2D, 2D 2D.

Verbindungen können zwischen Flächen und Kanten erstellt werden: 2D/3D-Fläche 2D/3D-Fläche, 2D Kante 2D/3D-Fläche.

Die Definition der Verbindungsbereiche erfolgt üblicherweise auf der Geometrie (Flächen, Kurven) oder auf dem Netz (Elementflächen,

Elementkanten).

Bei flächigen Verbindungen mit 2D-Elementen muss die Definition der korrekten Elementfläche für den Verbindungsbereich sowie die

Behandlung der Kontaktebene (Mittenebene oder halbe Dicke) beachtet werden.

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NX Nastran for Femap Grundlagen Verbindungen (Kontakt/Verklebung)

Für die Erstellung einer Verbindung werden die beiden Kontaktbereiche intern als „Slave“ und „Master“ unterschieden. Dabei

bezeichnet „Slave“ die Elementflächen, aus denen in Normalenrichtung (für den Anwender nicht greifbare) Verbindungselemente

generiert werden. Treffen diese Elemente innerhalb einer gegebenen Suchdistanz auf eine als „Master“ definierte Elementfläche wird

die Verbindung aktiv. In der Dokumentation von NX Nastran wird noch zum Teil der Begriff Quelle für Slave und Ziel für Master

verwendet.

Einsatzmöglichkeiten:

– Kontakt zwischen Bauteilen mit und ohne Anfangsspalt

– Kontakt mit Schraubenvorspannung

– Kontakt mit Übermaß/Presspassung

– Verklebung nicht deckungsgleicher Netze

– Verklebung unterschiedlicher Elementformen (Tetraeder/Hexaeder)

– Verklebung inkompatibler Elementtypen zur Gewährleistung der Momentenübertragung (Solid/Platte)

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NX Nastran for Femap Verbindungseigenschaft

Es muss mindestens eine Verbindungseigenschaft definiert werden. Die Definition erfolgt unter: Verbinden - Verbindungseigenschaft

Um eine Verbindungseigenschaft für den NX Nastran Solver anzulegen, ist der Reiter NX Linear zu wählen. Unter Kontakttyp wird die

Art der Verbindung festgelegt. Femap bietet hier die Auswahlmöglichkeit zwischen Kontakt und Verklebt an.

Kontakttyp Verklebt Kontakttyp Kontakt NX Linear auswählen

Standardwerte gewährleisten eine lauffähige Grundeinstellung der Verbindungsparameter – Empfohlen!

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NX Nastran for Femap Verbindungseigenschaft - Kontakt

Abbruchkriterium für die äußere Prozess-Schleife. Angabe prozentual / absolut je nach gewählten Kriterium

Empfohlener Wert: 0 [0,02]

Auswahl Konvergenzkriterium

Empfohlener Wert: 0 [1]

Abbruchkriterium für die innere Prozess-Schleife.

Empfohlener Wert: 0,01 [0,01]

Anzahl der Kontakt-Iterationen (äußere Prozess-Schleife). Der Verlauf dieser Schleife kann während und nach der Analyse in der F06-Datei vom Anwender eingesehen werden („NUMBER OF CONTACT STATUS CHANGES”).

Empfohlener Wert: 20 bis 50 oder höher. [20]

Anzahl der Iterationen zur Erreichung der eingestellten „Kraftkonvergenz-Tol.“ (innere Prozess-Schleife)

Empfohlener Wert: 10 bis 100 [10]

Wert = 0 Nur Kontaktflächen mit gegen-überliegenden Kontaktpartnern werden bei der Analyse berücksichtigt.

Wert = 100 Alle Kontaktflächen werden bei der Analyse berücksichtigt.


Max. Abstand zur Erkennung von Kontakt zwischen den Bereichen. Bei 2D-Flächenkontakt auf Mittenebene bezogen.

Berücksichtigung von Überlappungen der Bereiche (z.B. Übermaß einer Presspassung) durch Eintragung eines negativen Wertes.

Reibwert zwischen den Bauteilen (0 = keine Reibung)

Standard-Werte in []

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0.Berechnet Berücksichtigung von Spalten und Überlappungen zwischen den Bereichen. Überlappungen werden unter Kraft ausgeglichen (Presspassung).

2.Berechnet/keine Durchdringung Berücksichtigung von Spalten zwischen den Bereichen. Überlappungen werden als geschlossener Kontakt berücksichtigt.

3.Kein Spalt/keine Durchdringung Alle Abstände zwischen den Bereichen und Überlappungen werden als geschlossener Kontakt berücksichtigt.


0..Schalendicke einbeziehen Berücksichtigung der halben Dicke bei Verwendung von 2D-Elementen.

1..Dicke nicht einbeziehen Der Kontakt wird in der Mittenebene des 2D-Elements berücksichtigt.


Faktor für die Steifigkeits-erhöhung tangential zur Kontaktregion (Auto=Aus).


Faktor für die Steifigkeits-erhöhung normal zur Kontaktregion (Auto=Aus).


Einheit für die Kontaktsteifigkeit festlegen (Auto=Aus).


Automatische Ermittlung der Kontaktsteifigkeit.

Empfohlen


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Anzahl der Kontaktstützstellen pro Elementfläche

Beispiel: Quad-Elementface Niedrig = 1 Kontaktstützstelle Mittel = 4 Kontaktstützstellen Hoch = 9 Kontaktstützstellen

Empfohlener Wert: Standard = Mittel [2]

Zusätzliche Verfeinerung der Kontaktstützstellen

0..Nicht verfeinern

2..Verfeinerung erfolgt Erhöhung der Kontaktstütz-stellen um den Faktor 9


0..Starten von vorh. Unterfall Bei Durchführung von Analysen mit mehreren Lastfällen wird auf den letzten Kontaktstatus des vorherigen Lastfalls aufgesetzt.

1..Starten von Init.-Zustand Bei Durchführung von Analysen mit mehreren Lastfällen wird nicht auf den Kontaktstatus des vorherigen Lastfalls aufgesetzt.


0..Alle Elemente einbeziehen Die Mittelung der Kontakt-drücke erfolgt über alle Kontaktelemente (aktive und inaktive Kontakte).

1..Aktive Elemente einbeziehen Die Mittelung der Kontakt-drücke erfolgt nur über die aktiven Kontaktelemente.


0..Kann inaktiv sein Alle Kontakte können inaktiv werden. Analyse bricht ggf. aufgrund der Singularität ab.

1..Von inaktiv beschränken Der Solver versucht einen inaktiven Kontaktzustand zu vermeiden.


0..Z-Offset einbeziehen Berücksichtigung vorhandener Platten-Offsets.

1..Z-Offset nicht einbeziehen Keine Berücksichtigung vorhandener Platten-Offsets.


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NX Nastran for Femap Verbindungseigenschaft - Verklebt

Max. Abstand zur Erkennung der Verklebung zwischen den Regionen. Bei 2D-Flächenkontakt auf Mittelebene bezogen.

0..Nicht verfeinern

2..Verfeinerung erfolgt Erhöhung der Verklebungsstütz-stellen um den Faktor 9


Anzahl der Verklebungsstellen pro Elementface

Beispiel: Quad-Elementface Niedrig = 1 Verklebungsstelle Mittel = 4 Verklebungsstellen Hoch = 9 Verklebungsstellen

Empfohlener Wert: Standard = Mittel [2]

Faktor für die Steifigkeits-erhöhung der Verklebungs-region.


Festlegung des Verfahrens für die Verklebung.

1: Feder 2: Schweißen


Einheit für die Kontaktsteifigkeit festlegen.



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Parameter Kontaktdichte und Quelle verfeinern

Die Anzahl der Kontaktstützstellen pro Elementfläche ist abhängig von:

der geometrischen Form der Fläche (Dreieck oder Viereck)

dem mathematischen Elementansatz (linear oder parabolisch)

dem Parameter Kontaktdichte in der Verbindungseigenschaft

Durch Verwendung der Option „Verfeinerung erfolgt“ unter „Quelle verfeinern“ in der Verbindungseigenschaft ergibt sich ein

Multiplikator von 9 für die in der folgenden Tabelle aufgeführten Werte. Dieses Verfahren belegt große Ressourcen an Arbeitsspeicher

und führt zu längeren Berechnungszeiten je Kontaktiteration. Nur empfehlenswert, wenn eine genaue Abbildung des lokalen

Kontaktverhaltens erforderlich ist.

Verbindungseigenschaft - Kontakt / Verklebt

Anzahl der Kontaktstützstellen

Elementflächen-Typ Niedrig Mittel

(Standard) Hoch

Dreieck - linear 1 3 7

Dreieck - parabolisch 3 7 12

Viereck - linear 1 4 9

Viereck - parabolisch 4 9 16

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Es müssen mindestens zwei Verbindungsbereiche definiert werden. Die Definition dieser Bereiche erfolgt üblicherweise geometrie-

oder elementbezogen unter: Verbinden - Verbindungsbereich

Verbindungsbereich

Definition des Bereichs mittels Geometrieflächen

(mit 3D- oder 2D-Elementflächen assoziiert)

Definition des Bereichs mittels Geometriekurven

(mit 2D-Elementkanten assoziiert)

Bestimmt wirksame Seite bei 2D-Elementen

Visuelle Kontrolle der korrekten Bereichsdefinition über Modellinformationsbaum

Definition des Bereichs mittels 3D/2D Elementflächen oder 2D/Elementkanten

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Es muss mindestens eine Verbindung definiert werden. Die Verbindung ist die Verknüpfung zwischen zwei Bereichen. Das Verhalten

der Verbindung (Kontakt oder Verklebt) wird über die verwendete Verbindungseigenschaft festgelegt. Die Definition erfolgt unter:

Verbinden - Verbindung

Verbindung

Auswahl des Bereichs, der als Master (Ziel) verwendet werden soll. In der Regel ist dies der Bereich mit der gröberen Vernetzung. Bei Kanten-Flächen-Verbindung ist dies der Flächenbereich.

Auswahl der Verbindungseigenschaft

Auswahl des Bereichs, der als Slave (Quelle) verwendet werden soll. In der Regel ist dies der Bereich mit der feineren Vernetzung. Bei Kanten-Flächen-Verbindung ist dies der Kantenbereich.

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NX Nastran for Femap Sonderfälle von Bauteilkopplungen

Momentenfreie Drehverbindung: Bei Drehverbindungen (Wellenlager, Gelenke, etc.) sollte der

innere Bereich als Slave definiert werden. Zusätzlich muss in der Verbindungseigenschaft der

Parameter Kontaktdichte auf Niedrig eingestellt werden. Weiterhin sollte die Verbindung mit

einer ausreichenden Elementanzahl um den Umfang und mit deckungsgleicher Vernetzung

realisiert werden. Nur durch Vermeiden von geometrischen und numerischen Fasettierungen

kann eine momentenfreie Drehverbindung erzeugt werden.

Bauteilverbindung durch Übermaß: Um mit Hilfe des linearen Kontakts eine Übermaßpassung zu

analysieren, muss dieses bereits bei der Modellierung berücksichtigt werden. Die Vernetzung

sollte im Bereich der Passung deckungsgleich ausgeführt werden, damit jede einzelne

Elementfläche eine gegenüberliegende Fläche bei der Kontaktsuche zwischen Slave- und

Masterbereich findet und dadurch das gewünschte Übermaß an jeder Stelle der Verbindung die

gleiche Abmessung erhält. Der innere Bereich wird als Slave definiert. In der

Verbindungseigenschaft ist unter Min. Kontaktsuchabstand eine negativer (rückwärtssuchender)

Wert einzugeben. Zusätzlich wird der Parameter Anfangsdurchdringung auf Berechnet gesetzt,

damit ein Auseinanderdrücken erfolgt, und die Kontaktdichte auf Niedrig eingestellt.

Kopplung von Volumennetzen / Hybridnetzen: Durch Verwendung des linearen Kontakts ist eine

Kopplung von nicht deckungsgleichen Volumennetzen möglich. Hierzu werden wie auch bei

normalem Kontakt an den sich berührenden Gebieten Bereiche definiert und diese dann mit

einer Verbindung verbunden. Diese muss dann jedoch eine Verklebt-Eigenschaft referenzieren.

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NX Nastran for Femap Gap-Elemente in linearen Kontaktanalysen

Gap-Elemente als Knoten-zu-Knoten-Kontaktelemente haben ihren Ursprung in der klassischen nichtlinearen Analyse.

Werden Gap-Elemente in linear statischen Analysen verwendet, so verhalten sich diese per Default wie Zug-/Druck-Federn, d.h.

Kontaktverhalten wird nicht berücksichtigt.

Um das Kontaktverhalten der Gap-Elemente auch in der linearen Statik zu erzwingen, ist im Analyse-Set unter Nastran Bulk Data die

Option Gap als linearer Kontakt zu aktivieren:

Sind im Modell bereits Verbindungen vom Typ Kontakt definiert, so werden die Gap-Elemente automatisch mit Kontakt gerechnet.

In der linearen Statik unterstützte Gap-Elementeigenschaften:

• Anfangsspalt

• Drucksteifigkeit

• Quersteifigkeit

• Y-Reibungskoeffizient (Haftreibung)

Wenn für die Steifigkeiten keine Werte vorgegeben sind, werden diese aus den in der Verbindungseigenschaft eingetragenen Kontaktsteifigkeitsfaktoren bzw. den Standardwerten hierfür ermittelt.

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NX Nastran for Femap Hinweise zu Verbindungen

Konvergenzkriterien bei linearen Kontaktanalysen

Erfahrungsgemäß erhält man die zuverlässigsten Ergebnisse, wenn die Berechnung auskonvergiert ist, d.h. es treten keine

Kontaktänderungen mehr auf (absolutes Kriterium, Anzahl = 0). Dies bringt allerdings naturgemäß die höchste Anzahl an Iterationen

und folglich die längsten Rechenzeiten mit sich. Diese Rechenzeiten können durch Verwendung des prozentualen

Konvergenzkriteriums z.T. erheblich verringert werden, da besonders die Konvergenz der letzten Kontakte viele Iterationen in

Anspruch nehmen kann. Dabei kann allerdings nicht ausgeschlossen werden, dass die Lösung als konvergent angenommen wird,

obwohl wichtige Kontaktbereiche ihren Endstatus noch nicht gefunden haben.

Die Empfehlung lautet daher, möglichst das absolute Kriterium zu verwenden und keine Kontaktänderungen mehr zuzulassen. Für die

Optimierung der Rechenzeit ist das prozentuale Kriterium ein legitimes Mittel, jedoch ist dann verstärkt auf Plausibilität in den

Kontaktbereichen zu achten. Ein sinnvoller Kompromiss könnte je nach Modell sein, den Prozentsatz von 2% auf z.B. 0,5% zu

verringern.

SMARTTipp:

Vertiefende Informationen zum Thema Verbindungen finden Sie hier:

NX Nastran User‘s Guide - Chapter 19 / 20

Femap Online-Hilfe, Commands – Chapter 4.4

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