Kontaktsimulation

Kontaktsimulation ist ein Teilgebiet der numerischen Mechanik, das die Wechselwirkungen zwischen Körpern untersucht, die in Berührung treten. Sie modelliert, wie Oberflächen Kontaktflächen berühren, Kontaktspannungen verteilen, Kräfte übertragen und eine Trennung ermöglichen, einschließlich Reibung, Adhäsion und gegebenenfalls Verschleiß. Sie ist entscheidend für die Prognose von Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer technischer Systeme.

Zu den gängigen numerischen Ansätzen gehören Finite-Elemente-Verfahren (FEM) mit Kontaktbedingungen, die mittels Penalty-Formulierungen, Lagrange-Multiplikatoren oder augmentierter Lagrange-Verfahren umgesetzt werden. Mortar-Verfahren und Nitsche-Methoden ermöglichen eine konsistente Kontaktabwicklung über Meshes mit nicht übereinstimmenden Elementen. Das Diskrete-Elemente-Verfahren (DEM) analysiert Granulat- oder Partikelkontakte, während meshfreie Methoden und Mehrkörpersimulationen komplexe Topologien behandeln. Simulationen können quasi-statisch oder dynamisch sein und sich mit thermischen oder Schmiermodellen koppeln.

Anwendungen umfassen Automobil- und Luftfahrtkomponenten, Zahnräder und Lager, Blechumformung, Tribologie, Robotik, Biomechanik und additiv hergestellte Bauteile. Der typische Arbeitsablauf umfasst Geometrie-Definition, Netzgenerierung, Festlegung von Kontaktpaaren und Reibgesetzen, Randbedingungen, Lösung und Validierung mit Experimenten oder digitalen Zwillingen.

Zentrale Herausforderungen liegen in Nichtlinearitäten und steifen Randbedingungen durch Kontakt, Auswahl von Reibmodellen, Algorithmen zur Kontaktdetektion, Netzabhängigkeiten und rechnerischem Aufwand. Verschleiß, Schäden und thermische Effekte erhöhen die Komplexität. Die Validierung erfordert experimentelle Daten, und Benchmark-Standards entwickeln sich noch.

Historisch entstand die Kontakmechanik aus der Hertz-Theorie und den Signorini-Bedingungen; die Entwicklung setzte sich mit FEM und DEM im späten 20. Jahrhundert fort. Gegenwärtige Trends umfassen Multiskalen- und Mehrkörpersimulationen, gekoppelten Verschleiß- und Schmiermodellen sowie Echtzeit- oder beschleunigte Simulationen zur Designoptimierung.