Kontaktmechanik
Wie Dr.Q Kontakt zwischen Bauteilen handhabt: Lagrange-Durchsetzung, Kontakttypen und praktische Tipps.
Kontakt gehört zu den häufigsten Ursachen von Nichtlinearität in der Strukturmechanik-FEM. Er modelliert die Interaktion zweier Flächen, die sich gegeneinander drücken, gleiten oder trennen können, ohne einander zu überlappen oder zu durchdringen.
Warum Kontakt schwierig ist
In einem Standard-FEM-Modell wird jedes Teil unabhängig vernetzt. Ohne Kontakt wissen die Teile nichts voneinander, und der Solver würde sie frei überlappen lassen, was physikalisch falsch ist. Kontaktbedingungen verhindern die Durchdringung und übertragen wahlweise Reibungskräfte.
Die Herausforderung: Der Solver weiß im Voraus nicht, welche Knoten in Kontakt sein werden. Er muss iterieren und den Kontaktzustand in jedem Schritt prüfen und aktualisieren.
Kontakt wirkt auf Solid-Flächen
Kontakt und Bonding sind in Dr.Q Solid-Element-Features: sie wirken auf den Flächen von Solid-Netzen (Volumennetzen). Beams und Shells sind keine Kontakt- oder Bond-Flächen. Bonded-Schnittstellen unterstützen heute zudem nur Dreiecksflächen.
Kontakttypen
Verbunden (Bonded/Tied)
Die beiden Flächen verhalten sich, als wären sie verklebt: keine Trennung, kein Gleiten, entspricht dem Verschmelzen der Knoten beider Teile. Verhält sich linear, also keine Konvergenziterationen nötig und deutlich schneller zu lösen. Einsatz: dauerhafte Schweißnähte, Klebverbindungen, Presspassungen ohne Rutschen.
Reibungsfrei
Flächen können frei aneinander gleiten, aber nicht durchdringen. Nur Normalkräfte werden übertragen, keine Tangentialkräfte. Einsatz: geschmierte Gleitflächen, Symmetrieebenen, erste Kontaktstudien.
Rau (Rough)
Flächen können sich trennen, gleiten aber im Kontakt nicht: keine relative Tangentialbewegung. Einsatz: wenn Gleiten physikalisch ausgeschlossen ist, die Flächen sich aber abheben können.
Reibungsbehaftet
Flächen widerstehen dem relativen Gleiten bis zu einer Reibungsgrenze (Coulomb-Reibung): sobald die Tangentialkraft μ × Normalkraft überschreitet, gleiten sie. Einsatz: geklemmte Verbindungen, Schraubverbindungen, reale mechanische Kontakte.
Reibungsbehafteter Kontakt ist die rechenintensivste Art. Er benötigt viele Iterationen und kann bei hohen Reibkoeffizienten oder schnell wechselnden Kontaktflächen nicht konvergieren.
Wie Dr.Q Kontakt durchsetzt
Dr.Q erzwingt Kontakt und Bonding mit Lagrange-Multiplikatoren: die Nicht-Durchdringungs-Bedingung wird exakt erfüllt, ohne Penalty-Steifigkeit zum Einstellen. Es gibt bewusst keinen Kontaktsteifigkeits-Knopf, weil es keine Penalty zum Weichmachen gibt. Die Parameter, die Sie steuern, sind der Kontakttyp, das Reibgesetz, Small-Sliding, die Kontakt-tolerance und der Aktivierungs-Schedule.
Die Kontakt-Toleranz
Kontakt- und Bond-Flächen sollen sich berühren oder nahezu konform sein. Die tolerance ist eine Suchdistanz (Default 0,1 mm) zum Paaren von Kandidaten-Knoten und -Flächen, kein erforderlicher Spalt. Wählen Sie sie größer als den zu erfassenden modellierten Spalt und kleiner als das kleinste echte Spiel, das Sie nicht überbrücken wollen. Bonding nutzt dieselbe Idee (bonding_tolerance, gleicher Default).
Praktische Hinweise
- Mit verbundenem oder reibungsfreiem Kontakt beginnen und erst dann auf reibungsbehaftet umschalten, wenn das Gleiten für das gesuchte Ergebnis physikalisch relevant ist.
- Netz einheitlich vernetzen über die Kontaktschnittstelle. Große Elementgrößenunterschiede erzeugen Kontaktdruckspitzen.
- Kontaktstatus in den Ergebnissen prüfen: sind die Flächen dort in Kontakt, wo Sie es erwartet haben? Getrennte Flächen sind ein häufiges Modellierungsversehen und liefern leere Kontaktergebnisse.
- Punktkontakte vermeiden: eine scharfe Kante, die auf eine ebene Fläche drückt, erzeugt eine Singularität. Kleine Verrundung hinzufügen oder Last über eine Fläche verteilen.