NX Nastran for Femap Grundlagen Linearer Kontakt

Transkript

1 Grundlagen Linearer Kontakt alle Rechte vorbehalten: SMART Engineering GmbH Herrenheide 15a Buchholz Telefon: 04181/ Web: Ohne vorherige schriftliche Genehmigung darf kein Teil dieser Publikation vervielfältigt oder Dritten zugänglich gemacht werden. Ausgenommen ist die Nutzung einer Kopie für den internen Gebrauch.

2 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. kennt zwei Arten von mechanischen Bauteilverbindungen: Kontakt und Verklebung. Das Kontaktverhalten wird in 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 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. 2 von 14

3 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 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) 3 von 14

4 Verbindungseigenschaft Es muss mindestens eine Verbindungseigenschaft definiert werden. Die Definition erfolgt unter: Verbinden - Verbindungseigenschaft Um eine Verbindungseigenschaft für den 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 NX Linear auswählen Kontakttyp Kontakt Standardwerte gewährleisten eine lauffähige Grundeinstellung der Verbindungsparameter Empfohlen! 4 von 14

5 Verbindungseigenschaft - Kontakt Anzahl der Iterationen zur Erreichung der eingestellten Kraftkonvergenz-Tol. (innere Prozess-Schleife) Empfohlener Wert: 10 bis 100 [10] 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] Abbruchkriterium für die innere Prozess-Schleife. Empfohlener Wert: 0,01 [0,01] Auswahl Konvergenzkriterium Empfohlener Wert: 0 [1] Abbruchkriterium für die äußere Prozess-Schleife. Angabe prozentual / absolut je nach gewählten Kriterium Empfohlener Wert: 0 [0,02] Standard-Werte in [] Reibwert zwischen den Bauteilen (0 = keine Reibung) Berücksichtigung von Überlappungen der Bereiche (z.b. Übermaß einer Presspassung) durch Eintragung eines negativen Wertes. Max. Abstand zur Erkennung von Kontakt zwischen den Bereichen. Bei 2D- Flächenkontakt auf Mittenebene bezogen. Wert = 0 Nur Kontaktflächen mit gegenüberliegenden Kontaktpartnern werden bei der Analyse berücksichtigt. Wert = 100 Alle Kontaktflächen werden bei der Analyse berücksichtigt. Empfohlener Wert: 100 [100] 5 von 14

6 Verbindungseigenschaft - Kontakt 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. Empfohlener Wert: 2 [0] Automatische Ermittlung der Kontaktsteifigkeit. Empfohlen Einheit für die Kontaktsteifigkeit festlegen (Auto=Aus). Empfohlener Wert: 1 [1] 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. Empfohlener Wert: 0 [0] Standard-Werte in [] Faktor für die Steifigkeitserhöhung normal zur Kontaktregion (Auto=Aus). Empfohlener Wert: 10 [10] Faktor für die Steifigkeitserhöhung tangential zur Kontaktregion (Auto=Aus). Empfohlener Wert: 1 [1] 6 von 14

7 Verbindungseigenschaft - Kontakt 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. Empfohlener Wert: 0 [0] 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 Kontaktstützstellen um den Faktor 9 Empfohlener Wert: 0 [1] Standard-Werte in [] 0..Alle Elemente einbeziehen Die Mittelung der Kontaktdrücke erfolgt über alle Kontaktelemente (aktive und inaktive Kontakte). 1..Aktive Elemente einbeziehen Die Mittelung der Kontaktdrücke erfolgt nur über die aktiven Kontaktelemente. Empfohlener Wert: 0 [0] 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. Empfohlener Wert: 0 [0] 0..Z-Offset einbeziehen Berücksichtigung vorhandener Platten-Offsets. 1..Z-Offset nicht einbeziehen Keine Berücksichtigung vorhandener Platten-Offsets. Empfohlener Wert: 0 [0] 7 von 14

8 Verbindungseigenschaft - Verklebt Festlegung des Verfahrens für die Verklebung. 1: Feder 2: Schweißen Empfohlener Wert: 2 [2] Anzahl der Verklebungsstellen pro Elementface Beispiel: Quad-Elementface Niedrig = 1 Verklebungsstelle Mittel = 4 Verklebungsstellen Hoch = 9 Verklebungsstellen Empfohlener Wert: Standard = Mittel [2] 0..Nicht verfeinern 2..Verfeinerung erfolgt Erhöhung der Verklebungsstützstellen um den Faktor 9 Empfohlener Wert: 0 [1] Standard-Werte in [] Einheit für die Kontaktsteifigkeit festlegen. Empfohlener Wert: 1 [1] Faktor für die Steifigkeitserhöhung der Verklebungsregion. Empfohlener Wert: 1 [1] Max. Abstand zur Erkennung der Verklebung zwischen den Regionen. Bei 2D- Flächenkontakt auf Mittelebene bezogen. 8 von 14

9 Verbindungseigenschaft - Kontakt / Verklebt 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 Anzahl der Kontaktstützstellen Elementflächen-Typ Niedrig Mittel (Standard) Hoch Dreieck - linear Dreieck - parabolisch Viereck - linear Viereck - parabolisch 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. 9 von 14

10 Verbindungsbereich Es müssen mindestens zwei Verbindungsbereiche definiert werden. Die Definition dieser Bereiche erfolgt üblicherweise geometrie- oder elementbezogen unter: Verbinden - Verbindungsbereich Definition des Bereichs mittels Geometrieflächen (mit 3D- oder 2D- Elementflächen assoziiert) Visuelle Kontrolle der korrekten Bereichsdefinition über Modellinformationsbaum Bestimmt wirksame Seite bei 2D- Elementen Definition des Bereichs mittels Geometriekurven (mit 2D- Elementkanten assoziiert) Definition des Bereichs mittels 3D/2D Elementflächen oder 2D/Elementkanten 10 von 14

11 Verbindung 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 Auswahl der Verbindungseigenschaft 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 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. 11 von 14

12 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. 12 von 14

13 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. 13 von 14

14 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: User s Guide - Chapter 19 / 20 Femap Online-Hilfe, Commands Chapter von 14