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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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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Al

− 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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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

)(

l rig

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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“

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Recbei „Parameter für Normale Zwangsbedingungsfunktion

• Hierbei wird also keine Durchdringung zugelassen.

• Anwendung in Sol 601/701

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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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erster1

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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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Rec

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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vorb

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Alg

• Daher kann es je nach Selektionsreihenfolge zu unterschiedlichem Verhalten eines Kontakts kommen

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Rec

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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hts

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rved

.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

hte

vorb

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ten.

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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hts

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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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vorb

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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

ng G

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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

l rig

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rved

.bestimmtes Maß an Durchdringung.

• Das Maß der erlaubten Durchdringung kann folgendermaßen abgeschätzt werden:

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vorb

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ten.

Alg g

Durchdringung = εp x senkrechter Kontaktdruck

ng G

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Rec

• Mit der Formel kann auch ein sinnvoller Wert fürεp abgeschätzt werden:

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ngin

eerin− Eine sinnvolle Durchdringung ist z.B. ein Bruchteil

der Elementgröße.− Der senkrechte Kontaktdruck muss vom Anwender λ

Bin

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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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Al

• Mehr Zeitschritte

• Mehr Gleichgewichtsiterationen zulassen

ng G

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: alle

Rec• Liniensuchen nutzen

• Unterdrücken von Kontakt-Schwingungen nutzen

Ä

Des

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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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eure

, D• Ändern der übrigen Kontaktparameter

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