Kontakt und Einbettung¶

Verwenden Sie die Funktionen für Kontaktanalyse und Einbettung bei Problemen, in denen unabhängige Bauteile miteinander in Kontakt kommen und Lasten übertragen oder relativ zueinander gleiten, oder bei Problemen, in denen ein Bauteil als in ein anderes eingebettet dargestellt werden muss. Die Kontaktanalyse wendet Zwangsbedingungen an, um Durchdringung zu verhindern und Reibungskräfte an Kontaktflächen zu übertragen; die Einbettung stellt dagegen eine vollständig gebundene Verbindung zwischen Bauteilen dar.

Die Kontaktanalyse in FrontISTR wird durch die Kombination aus Kontakttyp, Lösungsalgorithmus, Kontaktpaardefinition und schrittweiser Aktivierung konfiguriert. Die Einbettung verwendet das Kontaktframework, um Knoten auf der eingebetteten Seite an Elemente auf der Host-Seite zu binden.

Funktionsübersicht¶

Für die Kontaktanalyse ist es zweckmäßig, die folgenden Punkte nacheinander auszuwählen.

Auswahlachse	Optionen	Aufgabe
Kontakttyp	Kontakt mit kleinem Gleiten, Kontakt mit endlichem Gleiten, gebundene Zwangsbedingung	Bestimmt, wie Relativbewegung, Trennung und Gleiten zwischen Kontaktflächen zugelassen werden.
Lösungsalgorithmus	`SLAGRANGE`, `ALAGRANGE`	Bestimmt, wie die Kontaktzwangsbedingungen in das lineare Gleichungssystem und die nichtlinearen Iterationen eingebracht werden.
Kontaktpaar	`NODE-SURF`, `SURF-SURF`	Bestimmt die Darstellung von Slave- und Master-Seite. Paardefinitionen werden in den Netzdaten angegeben.
Reibung	Reibungsfrei, Coulomb-Reibung	Legt den tangentialen Widerstand über einen Reibungskoeffizienten fest.
Aktivierung	`CONTACT`-Zeile von `!STEP`	Aktiviert für jeden Schritt eine Kontakt- oder Einbettungsgruppe.

Definieren Sie in den Eingabedaten die Kontaktbedingungen mit !CONTACT und wählen Sie das Lösungsverfahren mit !CONTACT_ALGO. Parameter zur Abstimmung der Kontakterkennung sind unter !CONTACT_PARAM zusammengefasst. Um anfängliche Interferenz schrittweise zu behandeln, verwenden Sie zusätzlich !CONTACT_INTERFERENCE.

Die Einbettung wird mit !EMBED definiert und über dieselbe CONTACT-Zeile wie beim Kontakt schrittweise aktiviert. Zur Eliminierung von Kontaktfreiheitsgraden und zur Behandlung von Mehrpunktzwangsbedingungen im linearen Löser siehe Löser und Vorkonditionierung.

Auswahl einer Kontaktanalysemethode¶

Wählen Sie den Kontakttyp entsprechend der Relativbewegung der Kontaktflächen und dem Zweck der Analyse. Verwenden Sie Kontakt mit kleinem Gleiten, wenn das Gleiten begrenzt ist und keine großen Aktualisierungen der Kontaktposition erforderlich sind. Verwenden Sie Kontakt mit endlichem Gleiten bei großen Verformungen oder großen Relativgleitbewegungen. Verwenden Sie eine gebundene Zwangsbedingung, wenn Bauteile dauerhaft verbunden bleiben müssen, ohne zu gleiten oder sich zu trennen.

Für den Lösungsalgorithmus sollte zunächst die standardmäßige Lagrange-Multiplikator-Methode (SLAGRANGE) in Betracht gezogen werden. Muss die Zwangsbedingungsgenauigkeit durch äußere Iterationen verbessert werden, kommt die erweiterte Lagrange-Multiplikator-Methode (ALAGRANGE) in Betracht. Bei ALAGRANGE gibt AUGITER die Anzahl der erweiterten Lagrange-Iterationen an.

Wird Reibung berücksichtigt, geben Sie für jedes Kontaktpaar einen Reibungskoeffizienten an. Ein Kontaktpaar mit einem Reibungskoeffizienten von 0 wird als reibungsfrei behandelt. Da Reibung die Konvergenz beeinflusst, sollte sie nur für Kontaktpaare angegeben werden, die sie tatsächlich benötigen.

Als Kontaktflächen werden nur Flächen von Elementen erster Ordnung unterstützt. Eingaben, die Flächen von Elementen höherer Ordnung als Kontaktflächen verwenden, werden nicht unterstützt. Wenn Kontakt in einer Analyse mit Elementen höherer Ordnung verwendet wird, modellieren Sie die Kontaktflächen so, dass sie äquivalent durch Flächen von Elementen erster Ordnung dargestellt werden können.

Kontakt mit kleinem Gleiten¶

Kontakt mit kleinem Gleiten ist ein Kontakttyp, bei dem angenommen wird, dass Änderungen der Kontaktposition klein sind. In den Eingabedaten wird er mit INTERACTION=SSLID in !CONTACT angegeben.

Bei Problemen mit geringem Relativgleiten zwischen Kontaktflächen kann Kontakt mit kleinem Gleiten die Kontakterkennung stabiler machen. Änderungen des Kontaktzustands und Trennung werden behandelt; im Gegensatz zum Kontakt mit endlichem Gleiten wird jedoch keine große Verschiebung korrespondierender Kontaktpunkte angenommen.

Kontakt mit kleinem Gleiten unterstützt sowohl reibungsfreien Kontakt als auch Kontakt mit Coulomb-Reibung. Kontakt auf Flächen von Elementen höherer Ordnung wird nicht unterstützt.

Kontakt mit endlichem Gleiten¶

Kontakt mit endlichem Gleiten ist ein Kontakttyp, bei dem korrespondierende Kontaktpunkte mit fortschreitender Verformung aktualisiert werden. In den Eingabedaten wird er mit INTERACTION=FSLID in !CONTACT angegeben.

Verwenden Sie Kontakt mit endlichem Gleiten bei großen Verformungen, großen Relativgleitbewegungen zwischen Bauteilen oder wenn sich die Kontaktposition weit von ihrer Anfangslage entfernt. Zur Suche nach korrespondierenden Kontaktpunkten wird eine Bucket-Suche verwendet, wodurch die Kontaktposition während der Analyse aktualisiert werden kann.

INTERACTION=GLUED ist eine Kompatibilitätsangabe und wird intern als Kontakt mit endlichem Gleiten behandelt. Kontakt mit endlichem Gleiten unterstützt sowohl reibungsfreien Kontakt als auch Kontakt mit Coulomb-Reibung.

Gebundene Zwangsbedingung¶

Eine gebundene Zwangsbedingung ist ein Kontakttyp, der die durch ein Kontaktpaar angegebenen Flächen dauerhaft miteinander verbindet. In den Eingabedaten wird sie mit INTERACTION=TIED in !CONTACT angegeben.

Eine gebundene Zwangsbedingung erlaubt weder Gleiten noch Trennung. Sie ist nützlich, wenn Netze mit unterschiedlichen Elementgrößen verbunden werden oder wenn als getrennte Bauteile erzeugte Bereiche sich in der Analyse wie ein einziger Körper verhalten sollen.

Bei der Einbettung werden Knoten der eingebetteten Seite an Host-Elemente gebunden; ihre Eingabeziele unterscheiden sich daher von denen einer gebundenen Zwangsbedingung, die die beiden Flächen eines Kontaktpaars verbindet. Verwenden Sie die Einbettung, wenn eine Knotengruppe innerhalb umgebender Elemente gebunden werden muss.

Einbettung¶

Die Einbettung bindet eine Knotengruppe auf der eingebetteten Seite an eine Elementgruppe auf der Host-Seite. Definieren Sie in den Eingabedaten das Einbettungspaar mit !EMBED PAIR in den Netzdaten und geben Sie den Paarnamen und die Gruppen-ID mit !EMBED in den Analysesteuerdaten an.

In einem Einbettungspaar ist SLAVE_GRP die Knotengruppe auf der eingebetteten Seite und MASTER_GRP die Elementgruppe auf der Host-Seite. Verwenden Sie diese Funktion, wenn eine Knotengruppe starr innerhalb umgebender Volumenelemente gebunden werden muss.

Die Einbettung wird entsprechend der globalen Einstellung für die Kontaktlösung assembliert. Üblicherweise sollte zunächst SLAGRANGE in Betracht gezogen werden. Bei Verwendung von ALAGRANGE sind der Penalty-Koeffizient und die Konvergenz der äußeren Iterationen zu prüfen. Reibung wird nicht unterstützt. Die schrittweise Aktivierung verwendet denselben Mechanismus wie der Kontakt: Geben Sie die Gruppen-ID in der CONTACT-Zeile von !STEP an.

Lösungsalgorithmen¶

Der Kontaktlösungsalgorithmus wird mit !CONTACT_ALGO angegeben. Er ist vom Kontakttyp unabhängig und dient dazu, die Art zu ändern, wie die Zwangsbedingungen für dasselbe Kontaktpaar gelöst werden.

TYPE=SLAGRANGE ist die standardmäßige Lagrange-Multiplikator-Methode. Sie nimmt Kontaktfreiheitsgrade in das lineare Gleichungssystem auf und behandelt die Zwangsgleichungen direkt. Sie ist eine übliche, stabile Wahl und sollte auch bei Verwendung der Einbettung zuerst in Betracht gezogen werden.

TYPE=ALAGRANGE ist die erweiterte Lagrange-Multiplikator-Methode. Sie kombiniert einen Penalty-Term mit äußeren Iterationen, um die Zwangsbedingungen zu erfüllen. Sie kann in Betracht gezogen werden, wenn eine höhere Genauigkeit der Kontaktzwangsbedingungen erforderlich ist; da AUGITER jedoch äußere Iterationen hinzufügt, müssen Rechenaufwand und Konvergenzverhalten geprüft werden.

Zur Eliminierung von Kontaktfreiheitsgraden, zu Kombinationen mit direkten und iterativen Lösern sowie zu Methoden zur MPC-Behandlung siehe Löser und Vorkonditionierung.

Definition von Kontaktpaaren¶

Ein Kontaktpaar ist eine Angabe in den Netzdaten, die festlegt, welche Slave-Seite mit welcher Master-Seite in Kontakt kommt. Definieren Sie in den Eingabedaten Paarname, Slave-Gruppe und Master-Gruppe mit !CONTACT PAIR und referenzieren Sie den Paarnamen aus !CONTACT in den Analysesteuerdaten.

TYPE=NODE-SURF ist eine Knoten-zu-Fläche-Darstellung, bei der die Slave-Seite als Knotengruppe und die Master-Seite als Oberflächengruppe angegeben wird. Sie stellt direkt Probleme dar, bei denen eine Knotengruppe mit einer Fläche in Kontakt kommt.

Bei TYPE=SURF-SURF werden sowohl Slave- als auch Master-Seite als Oberflächengruppen angegeben. Intern wird aus der Slave-Oberflächengruppe eine Knotengruppe erzeugt und das Paar in einen Knoten-zu-Fläche-Kontakt umgewandelt. Verwenden Sie diese Darstellung, wenn die Slave-Fläche als Oberflächengruppe verwaltet werden soll.

Parameter der Kontakterkennung¶

Parameter der Kontakterkennung sind numerische Schwellenwerte für die Kontaktsuche und das Umschalten von Kontaktzuständen. Definieren Sie in den Eingabedaten mit !CONTACT_PARAM einen benannten Parametersatz und referenzieren Sie ihn über CONTACTPARAM in !CONTACT.

Zu den repräsentativen Parametern gehören der normale Abstand CLEARANCE, CLR_SAME_ELEM für Elemente, die bereits in Kontakt sind, TENSILE_FORCE zur Trennungserkennung und BOX_EXP_RATE zur Erweiterung der Suchbox. Der Standardwert von CLEARANCE beträgt 0,01.

Für Standardanalysen reichen die voreingestellten Parameter der Kontakterkennung im Allgemeinen aus. Passen Sie sie nur an, wenn Probleme auftreten, etwa Oszillationen des Kontaktzustands, unbeabsichtigtes Umschalten von Kontaktpunkten oder Instabilität bei der anfänglichen Kontaktsuche. Parameterwerte und Reihenfolge der Datenzeilen finden Sie in der Schlüsselwortreferenz.

Auflösen von Kontaktinterferenz¶

Die Auflösung von Kontaktinterferenz ist eine Funktion, die für ein Modell, dessen Kontaktflächen sich im Anfangszustand überschneiden, das Maß der Interferenz oder Trennung schrittweise verändert. Sie wird mit !CONTACT_INTERFERENCE angegeben.

Mit TYPE=SLAVE oder TYPE=MASTER wählen Sie aus, ob die Interferenzauflösung auf die Slave- oder Master-Seite bezogen wird. END gibt den Zeitpunkt an, zu dem die Interferenzauflösung abgeschlossen ist; jedem Kontaktpaar werden eine Anfangsposition initial_pos und eine Endposition end_pos zugewiesen.

Diese Funktion ist nützlich, wenn sich Bauteile im Modell geometrisch überschneiden, diese Interferenz in der Analyse jedoch als anfänglicher Kontaktzustand oder Presssitz reproduziert werden soll. Ein abruptes Entfernen der Interferenz kann die Konvergenz verschlechtern; verändern Sie sie daher innerhalb des Schritts allmählich.