PERMAS-CA Kontaktanalyse
Kontaktrandbedingungen sind zwischen elastischen Teilkörpern oder zwischen elastischen Teilkörpern und starrem Grund möglich. Dabei können die Teilkörper sich auch nichtlinear verhalten.
PERMAS verfügt über umfangreiche Funktionalitäten zur Kontaktanalyse:
- Basisfunktionen zur Methode unter linearen oder nichtlinearen Bedingungen (siehe nachfolgend auf dieser Seite).
- Erweiterungen für Leistungsverbesserungen bei größeren Modellen mit und ohne Reibung (siehe Kontakt mit Reibung).
- Update des Kontakts wegen Kontaktverlagerungen aufgrund von Verschiebungen unter linearen und nichtlinearen Bedingungen (siehe Kontakt Update).
- Neuer Löser mit Kontakt-Multi-Grid-Verfahren zur drastischen Laufzeitverkürzung bei größeren Kontaktmodellen (siehe Kontakt Multigrid).
Die Kontaktrichtung und die Anfangsspaltbreite kann explizit vorgegeben oder automatisch aus der Geometrie ermittelt werden. Presspassungen werden einfach durch Eingabe des entsprechenden Übermaßes modelliert.
Kupplung unter Torsion, wachsende Gleitzonen (rot)
bei steigender Last (mit freundlicher Genehmigung von Voith Turbo)
Modellierung der Kontaktbedingungen
- den generellen Fläche-zu-Fläche-Kontakt (inkompatible Netze).
- die Zuordnung von Knoten/Knotensets zu Flächen (inkompatible Netze).
- Surface/Knoten zu Grund
- Surface Selbstkontakt
- die Zuordnung von Knotensets (die einzelnen Paare werden aus der Geometrie ermittelt).
- die Zuordnung der einzelnen Knotenpaare.
Visualisierung von Kontaktdefinitionen mit VisPER
Lastgeschichte
- Die Angabe einer Lastgeschichte erlaubt das korrekte Nachfahren jeder Kontaktsituation mit Gleit und Haftreibung unter Montage und Betriebslasten. Dies ermöglicht die komfortable Untersuchung solcher Situationen als quasistatische Berechnung. Eine Postscript-Datei kann ausgegeben werden, um die Lastgeschichte auch grafisch darzustellen.
- Die Lastgeschichte kann durch Vorspannungen ergänzt werden (z.B. in Schrauben), wobei die Kontaktanalyse verwendet wird, um die Vorspannung einzustellen. So wird auch das Schraubenanzugsmoment über eine bekannte Kontaktkraft im Schraubenschaft abgebildet.
Schraubenvorspannung
Ein verallgemeinertes Konzept für die Schraubenvorspannung ist verfügbar. Neben dem klassischen Weg, den Schaft durchzuschneiden und die Vorspannung senkrecht dazu vorzugeben, ist ein neuartiger Weg möglich, bei dem die Vorspannung direkt über die Kopplung am zylindrischen Gewinde in axialer Richtung vorgeschrieben wird. Dieser sehr innovative Weg ermöglicht eine bequeme Beschreibung selbst detaillierter Effekte wie radiale Bohrungsaufweitung und axiale Verdrillung durch Gewindeflanken und Gewindesteigung, und zwar ohne dass das Gewinde über finite Elemente abgebildet werden müsste. Siehe auch Schraubenlösen für eine anspruchsvolle Simulation.
Presspassungen
Eine Presspassung ist eine permanente Kopplung mit variabler Überdeckung als Funktion der Lastgeschichte. Für permanente Kopplung kann dies als Ersatz für eine Kontaktdefinition verwendet werden.
Lösungsverfahren
Das verwendete Lösungsverfahren basiert auf der Flexibilität der potentiell beteiligten Kontaktfreiheitsgrade. Dies bringt klare Vorteile:- Die durchgeführte Iteration auf dieser Flexibilität ist sehr effizient und deshalb selbst für größte Modelle geeignet.
- Die Kondition der Steifigkeitsmatrix bleibt erhalten, da der Kontakt nicht über künstliche Steifigkeitsänderungen erfasst wird.
Die Berechnung kann für beliebig viele Lastfälle durchgeführt werden, wobei sich für jeden Lastfall die Kontaktparameter (Spaltbreite und Reibungskoeffizienten)
ändern können. Die Kontaktbedingungen werden im statischen Lösungsschritt automatisch berücksichtigt, sodass sich die Steuerbefehle für die Kontaktrechnung
von denen einer linearen oder nichtlinearen statischen Analyse nicht unterscheiden.
Für eine noch effizientere Berechnung von aufeinander folgenden Kontaktvarianten stehen Kontaktstatus-Dateien zur Verfügung, die sowohl das Wiederaufsetzen von Kontaktanalysen erleichern als auch die Rechenzeit beträchtlich verkürzen.
Weiterführende Informationen finden Sie in dem Vortrag "Next Generation Contact Analysis" . Diesen Vortrag können Sie sich auch bequem auf YouTube ansehen.
Kontaktergebnisse
Für die Kontrolle der Kontaktmodelle gibt es umfangreiche Verifikationsmöglichkeiten zur Art des Kontakts, seiner Geometrie (wie Spalt und Fußpunktsvektor) sowie der Normalen- und Reibrichtung. Außerdem stehen für alle Iterationen die zugehörigen Kontaktzustände für Prüfungszwecke zur Verfügung.Für Reibkontakte ist die Qualität der Oberflächen von entscheidender Bedeutung. Daher erlaubt PERMAS die Glättung von Kontaktflächen, was eine wesentliche Verbesserung des Reibverhaltens bewirkt.
Neben den Ergebnissen der statischen Analyse stehen hier der Kontaktstatus, die Kontaktkräfte, der Kontaktdruck (Pressung), die Spaltbreite und die Relativverschiebung als zusätzliche Ergebnisse zur Verfügung.
Das center of pressure Konzept kann das Verständnis der Kraftübertragung in Kontaktmodellen verbessern.
Kontaktdruck und Gasket Closure
Kontakt-Locking
Der Kontaktzustand kann eingefroren werden, um nachfolgende Analysen zu ermöglichen. Dieses Einfrieren (Contact Locking) geschieht durch automatische Umwandlung der aktiven Kontakte in kinematische Zwangsbedingungen (MPCs). Damit werden nachfolgende Berechnungen von Eigenwerten DEV , zur Wärmeleitung HT oder zur Teilmodellanalyse (Spannungslupe) möglich.
Kugellager
Kegelpresssitz mit durchrutschender Reibung
Kontakt und Reibung
Bereitstellung von Lösungsverfahren für kritische Reibungsfälle und die Analyse großer Kontaktmodelle (mehr als 10000 Kontaktknotenpaare) in Kombination mit Rechenzeitreduktion (um wenigstens einen Faktor 3), z.B. performance breakthrough Folgende Funktionen sind enthalten:
- Iterative Hochleistungsalgorithmen zur Beschleunigung von Kontaktanalysen mit Normal- und Reibungskontakt, siehe Motorberechnung.
- Eine zusätzliche Iterationsmethode für kritische Reibungsprobleme (wenn alle Kontakte ins Gleiten geraten, siehe Abbildung).
Dichtungselemente werden nun standardmäßig mit der Methode der kontakt-gesteuerten nichtlinearen Dichtungsberechnung (CCNG-Analyse - Contact Controlled Nonlinear Gasket Analyse) berechnet. Dies führt zu erheblichen Rechenzeitvorteilen, verglichen mit der klassischen Berechnungsmethode mit nichtlinearem Materialverhalten. Besonders hoch wird der Rechenzeitvorteil, wenn Kontakt und Dichtungselemente die einzigen Nichtlinearitäten in einem Modell sind. Eine immer noch signifikante Reduktion der Rechenzeit kann man bei weiteren zusätzlichen Nichtlinearitäten erwarten.
Die Gleitreibung zwischen bewegten Teilen kann über ein Geschwindigkeitsfeld beschrieben werden, um es bei einer quasi-statischen Kontaktanalyse zu berücksichtigen (siehe Bremsenquietschen).
Welle-Nabe-Verbindung mit Reibung, Änderung des
Kontaktstatus (rot:gleiten, blau: haften)
Contact Update
Wenn es zu großen Relativverschiebungen zweier Körper in Kontakt kommt, dann berücksichtigt der Update diese Änderung der geänderten Position im Kontakt.
Wenn sehr präzise Kontaktergebnisse benötigt werden, dann werden durch den Update der Kontaktgeometrie selbst kleine Änderungen im Kontakt berücksichtigt und so genaue Ergebnisse erzielt für Kontaktkräfte, Verschiebungen, Spannungen, usw..
Eigenschaften:
CV Gelenk mit Center of Pressure Visualisierung
Antriebsrad auf Tellerrad.
Contact Multigrid Solvers
Die Algorithmen realisieren eine neue Generation von Kontaktlösern, um die Berechnung komplexer Kontaktmodelle mit extrem kurzen Rechenzeiten zu ermöglichen. Die Löser nutzen sowohl innovative Update-Mechanismen für die Flexibilitätsmatrix der Kontaktanalyse, als auch eine neue Kontakt-Multigrid Vergröberungsstrategie (siehe Abbildung rechts), um die Rechenzeitkomplexität zu reduzieren.
Der in PERMAS für die Kontaktanalyse realisierte Ansatz basiert auf einer Problemreduktion durch Kondensation anstatt die Problemdimension durch Kontakte zu vergrößern und stellt damit eine Technologiealternative zu den sonst üblichen Verfahren dar. Siehe auch WebConference. INTES besitzt mit dieser Methode mittlerweile ca. 30 Jahre an Erfahrung. Weitere Informationen unter Vortrag.
Der Kontakt-Multigrid Löser (CAMG) ist eine Option, sowohl die Modellgröße des Strukturmechanikmodells, als auch die Anzahl Kontaktfreiheitsgrade
weiter skalieren zu können. Die Performancegewinne können für Variantenanalysen oder in Kombination mit Optimierung genutzt werden.
Die Funktionen können sowohl mit linearer Statik (LS),
als auch mit nichtlinearer Statik (NLS) genutzt werden.
Einige Eigenschaften:
- Einfache Nutzung: Keine Änderungen in DAT/UCI Files nötig.
- Numerisch gleiche Ergebnisse.
- Signifikante Performanceverbesserung im Kontakt (bis > 20).
- Siehe auch nachfolgende Beispiele.
Beschleunigung einer Motorenberechnung mit Dichtungselementen und temperaturabhängigem Material
Rechenzeiten als elapsed Zeiten [hh:mm]. Beschleunigung (grün) für Gesamtjob und Kontaktberechnung.
Anwendungsbeispiel mit freundlicher Genehmigung der PORSCHE AG
Beschleunigung einer Getriebeberechnung
Rechenzeiten als elapsed Zeiten [hh:mm]. Beschleunigung (grün) für Gesamtjob und Kontaktberechnung.
Getriebegehäuse (Modell ähnlich, mit freundlicher Genehmigung der ZF Friedrichshafen AG)
Drei Generationen von Kontakt Lösern
Prinzip: Vergröberung und Projektion