CAE Herbsttagung der PLM Connection
Fachvortrag
Kontakte in NX/Nastran,
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Kontakte in NX/Nastran, Technologien und Erfahrungen
Peter Binde
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AlPeter Binde
Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbHTannenring 41-43, 65207 Wiesbaden
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: alle
RecZeit:
0,45 secZeit:
0,46 sec Zeit:0,47 sec
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Überblick
• Unternehmensvorstellung
• Kontakt-Technologien
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• Erfahrungen und Empfehlungen
− “linearer” Kontakt der Sol101
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− Constraint-Function aus Sol601/701
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Unternehmensvorstellung
Dr. Binde Ingenieure, Design & Engineering GmbH:Seit 14 Jahren tätig im Bereich NX CAE-Integration in der Konstruktion
S h kt
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.Schwerpunkte:
• Schulungen, Beratungen, Methodenentwicklung
Berechn ngsdienstleist ngen im Bereich Str kt r
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Al• Berechnungsdienstleistungen im Bereich Struktur-,
Thermo/Strömung- und Mehrkörpersimulation
• Branchenerfahrungen: Electric Drives, Automotive,
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RecConsumer Products, Defense, Aerospace, Health-Care,
Ship-Building, …
• Mitwirkung in der universitären Ausbildung
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ngin
eerinMitwirkung in der universitären Ausbildung
• Lehrbuch “Simulationen mit NX” (Hanser-Verlag) in zweiter Auflage
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• FuE Projekt “Integration von Magnetfeldsimulation in das NX System” in Kooperation mit zwei Universitäten.
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Kontakt-Technologien
• Idealer Kontakt
• Gap-Elemente
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• Penalty-Methode
• Constraint-Methode
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• Glue- oder Klebe-Kontakt (auch Tied)
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Idealer KontaktKontakt-Technologien
• Ein idealer Kontakt würde sich wie in der Abbildung dargestellt verhalten. D.h. sobald die Öffnung bzw. Gap (g) kleiner Null wird, erhöht sich die Kontaktkraft (λ) drastisch.
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kleiner Null wird, erhöht sich die Kontaktkraft (λ) drastisch.
• Der ideale Kontakt mit seinen sprunghaften Eigenschaften hätte für die numerischen Berechnungsmethoden Nachteile, daher ird er mit sanfteren F nktionen nachgebildet
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Aldaher wird er mit sanfteren Funktionen nachgebildet.
• Hierin unterscheiden sich die Kontakte im wesentlichen.
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Rec
λ (Rückstellkraft)λ (Rückstellkraft)
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g (Gap)g (Gap)
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g ( p)g ( p)
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Penalty-MethodeKontakt-Technologien
• Der Penalty Kontakt wird meist für Flächen eingesetzt.
• Er wird aufgrund der Robustheit gerne genutzt.
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.
• Der Anwender gibt eine Kontaktsteifigkeit (Penalty) vor.
• Das System berechnet die Rückstellkraft mit Hilfe der Durchdringung.
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Al
• Es wird also eine kleine Durchdringung im Ergebnis zugelassen!
• Anwendung in Sol 101 (linear Contact) oder in Sol 601/701 (Rigid-Target-Contact).
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λ (Rückstellkraft)
Kontaktsteifigkeit
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g (Gap)
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Constraint-MethodeKontakt-Technologien
• Eine Constraint-Funktion bildet den Kontakt nach. Die Funktion ist folgendermaßen definiert:
gggw ελλλ + −−+=
2
)(
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.
• Der Parameter εN steuert, wie sehr sich die Constraint-Funktion an das ideale Kontaktverhalten anpasst. εN = 0 führt zu einem drastischen Anstieg der Kontaktkräfte
Ngw ελ +
=22
),(
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Alp N g
und wird nicht empfohlen.Der voreingestellte Wert beträgt εN = 1E-12.
• Die Einstellung erfolgt in den Contact-Set-Parametern bei Parameter für Normale Zwangsbedingungsfunktion“
ng G
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Recbei „Parameter für Normale Zwangsbedingungsfunktion
• Hierbei wird also keine Durchdringung zugelassen.
• Anwendung in Sol 601/701
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ngin
eerinAnwendung in Sol 601/701
λλ
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, D
gg
Constraint-Funktion
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gg
Gap-ElementeKontakt-Technologien
• Gap-Elemente sind die älteste Kontakt-Technik.
• Sie werden wegen ihrer Einfachheit gerne eingesetzt.
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• Meist werden sie als einzelne Elemente erzeugt, um zwischen zwei Punkten gezielt die Durchdringung zu verhindern.
Es erden ei Steifigkeiten angegeben Eine kleine für den Fall daß Abstand besteht
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Al• Es werden zwei Steifigkeiten angegeben: Eine kleine für den Fall, daß Abstand besteht
und eine große für den Fall, daß der Abstand verschwunden ist.
• Anwendung in Sol 101,106,601,701
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λ hl K t kt t ifi k it
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, Dλ geschlossene Kontaktsteifigkeit
offene Kontaktsteifigkeit
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Klebe-KontaktKontakt-Technologien
• Dies ist eigentlich kein Kontakt, weil rein es sich um lineare Effekte handelt. Es muss also nicht iterativ gerechnet werden.
A d fü Flä h S lid d S h l l t
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.• Anwendung für Flächen von Solid- oder Schalenelementen
• Vorteile:
Sehr einfach sehr schnell Abstände erden einfach überbrückt
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Al• Sehr einfach, sehr schnell, Abstände werden einfach überbrückt.
• Auch große Mengen an Klebungen können leicht verarbeitet werden.• Automatische Findung der Kontaktpartner.
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Rec
• Beispiel: Schweissbaugruppen
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Erfahrungen und Empfehlungen
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Alerster
Weg0 1
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zweiterWeg
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“linearer” Kontakt der Sol101Erfahrungen und Empfehlungen
• Benennung “linear” eigentlich falsch, da es ein vollwertig nichtlinearer Kontakt ist. Jedoch befindet er sich in der ansonsten linearen Lösung 101.
Al ith P lt M th d
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.• Algorithmus: Penalty-Methode
• Sehr gut geeignet für alle Fälle, bei denen nur kleine Bewegungen im Spiel sind und die Reibung berücksichtigt werden muss, d.h. Klemmsitz, Presspassung, Kontaktflächen
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Alg g , , p g,
von verschraubten Teilen.
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Querbewegung an Kontaktfläche
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Schrauben-kraft
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“linearer” Kontakt der Sol101Erfahrungen und Empfehlungen
• Empfehlungen für optimale Ergebnisse desKontaktdrucks:
Id ti h V t d b id K t kt t
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.• Identische Vernetzung der beiden Kontaktpartner(z.B. durch Mesh-Mating-Condition)
• Nutzung von Elementen ohne Mittelknoten,
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z.B. Hex8.• Netzübergänge mit Pyramiden erzeugen.
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Pyramidenelemente
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“linearer” Kontakt der Sol101Erfahrungen und Empfehlungen
• Gegenüberstellung einfache/aufwändige Vernetzung:zeigt gleichmäßigere Ergebnisse bei dem Kontaktdruck:
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“linearer” Kontakt der Sol101Erfahrungen und Empfehlungen
• Noch eine Empfehlung:
• Nutzung der Option “Set to Zero” in d K t kt ti i t i t
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.den Kontaktoptionen ist meist erforderlich, um Anfangsdurchdringungen zu
nterdrücken
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vorb
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Alunterdrücken.
• Anfangsdurchdringungen sind an einem Spannungs-Ergebnis mit
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Receinzelnen “Hot-Spots” im
Kontaktbereich zu erkennen.
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Kontakt der Sol601/701Erfahrungen und Empfehlungen
• Viele Einstell-Parameter sind möglich und oft auch erforderlich. Einfache Modelle mit geringer Nichtlinearität lassen sich mit den Voreinstellungen gut berechnen.
Di A f b i d k l l i S l 101 d kä ft i t it d K
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.• Die Aufgaben sind komplexer als in Sol 101 und man kämpft meist mit der Konvergenz.
• Wenn Konvergenz nicht erreicht wird gibt es zwei Möglichkeiten:
“Sch mmelfaktoren” lassen mit denen die echte Ph sik übergangen ird
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Al• “Schummelfaktoren” zulassen, mit denen die echte Physik übergangen wird.
• Das Modell realistischer machen, damit die echte Physik korrekt gerechnet wird.
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• Nachfolgend nur einige wichtige Empfehlungen
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Kontakt der Sol601/701Erfahrungen und Empfehlungen
Master-Slave- (Quell - Ziel) Konzept
• Beim Erzeugen der Kontaktregionen wird einQ ll d i Zi lb i h b f t
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.Quell und ein Zielbereich abgefragt.
• Nach diesem Konzept dürfen die Quell-Knoten die Zielbereich nicht durchdringen.
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Alg
• Daher kann es je nach Selektionsreihenfolge zu unterschiedlichem Verhalten eines Kontakts kommen
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Selektionsreihenfolge 1Selektionsreihenfolge 1 Selektionsreihenfolge 2Selektionsreihenfolge 2
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eerinQuellQuellZielZiel
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QuellQuell ZielZiel
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Kontakt der Sol601/701Erfahrungen und Empfehlungen
Master-Slave- (Quell - Ziel) Konzept
− An dem gezeigten Beispiel eines Schnapphakens (siehe Übungsbeispiel) ist eine ü ti M t Sl B i h ählt d
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.ungünstige Master-Slave-Beziehung gewählt worden.
− Es kommt daher zu Durchdringung.
In ielen Fällen führt eine solche Sit ation da dass der Kontakt nicht kon ergiert
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vorb
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Al− In vielen Fällen führt eine solche Situation dazu, dass der Kontakt nicht konvergiert.
DurchdringungDurchdringung
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g gg g
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QuellQuell
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, DZielZiel
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Handbuch NX Advanced Nonlinear FEA
Kontakt der Sol601/701Erfahrungen und Empfehlungen
Large- und Small Displacement Kontakt
• Bei der Kontaktoption „kleine Verschiebung“ wird nur zu Beginn der Analyse gesuchtl h Q ll K t l h Zi l El t Flä h üb t h N di
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.welche Quell-Knoten welchen Ziel-Element-Flächen gegenüberstehen. Nur an diesenPaaren wird in der Analyse die Kontaktbedingung berücksichtigt. Diese Option solltedaher nur eingesetzt werden, wenn sich die Kontaktpaare wenig relativ zueinanderbe egen
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Albewegen.
• Die voreingestellte Kontaktoption „Große Verschiebung“ dagegen ermittelt dieKontaktpaare in jeder Iteration neu. Sie ist daher immer sinnvoll, wenn es zu
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RecRelativbewegungen der Kontaktpaare kommt.
Nicht akzeptables Verhalten Nicht akzeptables Verhalten
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Quell-Knoten
pbei „Kleine Verschiebung“ und Relativbewegung
pbei „Kleine Verschiebung“ und Relativbewegung
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Handbuch NX Advanced Nonlinear FEA
Ziel-Fläche
Kontakt der Sol601/701Erfahrungen und Empfehlungen
Kompatibilitätsfaktor (Dies ist ein „Schummelfaktor“)
• Der Kompatibilitätsfaktor εp macht die Kontaktflächen weicher und erlaubt ein b ti t M ß D hd i
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.bestimmtes Maß an Durchdringung.
• Das Maß der erlaubten Durchdringung kann folgendermaßen abgeschätzt werden:
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Alg g
Durchdringung = εp x senkrechter Kontaktdruck
ng G
mbH
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Rec
• Mit der Formel kann auch ein sinnvoller Wert fürεp abgeschätzt werden:
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eerin− Eine sinnvolle Durchdringung ist z.B. ein Bruchteil
der Elementgröße.− Der senkrechte Kontaktdruck muss vom Anwender λ
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, Dabgeschätzt werden.• Die Standard Constraint-Funktion wird durch
den Kompatibilitätsfaktor εp modifiziert: g
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p p gεp
Kontakt der Sol601/701Erfahrungen und Empfehlungen
Was tun bei keiner Konvergenz?
• Reibung entfernen
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.
• Zuerst mit Kontakt-Option „Kleine Verschiebung“ testen
• Elemente ohne Mittelknoten verwenden
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vorb
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Al
• Mehr Zeitschritte
• Mehr Gleichgewichtsiterationen zulassen
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Rec• Liniensuchen nutzen
• Unterdrücken von Kontakt-Schwingungen nutzen
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ngin
eerin• Ändern der ATS Parameter
• Konvergenztoleranz ändern
Ä d d üb i K t kt t
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, D• Ändern der übrigen Kontaktparameter
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