Контакт без трения: поверхности размыкаются, а расчёт показывает их состояние

До этого месяца два соприкасающихся тела в WebCAE были склеены. И жёсткие связи, и податливая склейка держат стык закрытым: это верно для сварного шва или запрессовки и неверно для всего, что может оторваться. Фланец на болтах под моментом, кронштейн, отходящий от опоры, палец, свободно сидящий в отверстии, — всем им нужен стык, способный раскрыться.

В десктопной сборке такой стык появился. Контакт без трения — односторонняя связь: она передаёт сжатие и совсем не держит растяжения, а область, которая на самом деле находится в контакте, растёт и уменьшается по мере приложения нагрузки.

Как связаны поверхности

Стороны связаны интегралом по площади перекрытия граней, а не поузлово. На практике разница существенна. Если привязывать каждый узел одной поверхности к треугольнику, на который он попал, стык оказывается переопределённым: узлов с одной стороны больше, чем свободы удовлетворить их с другой. Давление тогда выходит зубцами, а набор контактирующих пар дрожит от итерации к итерации. Связь по площади сохраняет давление гладким и пропускает через стык равномерную нагрузку без искажения.

Настраивается это в панели соединений: для пары выбирается тип «без трения» и задаётся штрафная жёсткость. Число шагов нагружения задаётся на вкладке расчёта, по умолчанию их двадцать.

Контактные пары пересобираются на каждом шаге

Нагрузка прикладывается приращениями, и после каждого сошедшегося приращения контактные пары пересобираются на деформированной геометрии. Зоны действительно смыкаются и размыкаются по мере роста нагрузки, а не остаются навсегда с тем набором связей, который был вычислен на недеформированной модели. Благодаря этому область контакта сама находит свой размер, а взаимное скольжение вдоль стыка отрабатывается корректно даже при заметных перемещениях.

Величина шага подстраивается сама: она растёт, когда сходимость даётся легко, и уменьшается вдвое, если шаг не сошёлся.

Результаты сохраняются пошагово

Каждый сошедшийся шаг сохраняет снимок: перемещения, статус контакта, узловые контактные силы и давление. На вкладке результатов это превращается в окно шагов нагружения: ползунок, кнопки перехода к первому, предыдущему, следующему и последнему шагу, воспроизведение с паузой, зацикливание и скорость 1, 2, 4 или 8 кадров в секунду.

При переходе между шагами пересчитываются и перемещения, и напряжённо-деформированное состояние, поэтому поле на экране действительно меняется по ходу прокрутки: шаг 5 и шаг 20 — не одна и та же картинка с разной подписью, у них разные легенды. Выбранный шаг сохраняется вместе с проектом.

Состояние стыка и контактное давление

Состояние контакта показывается по шкале от 0 до 3: открыт, работает, скольжение, залипание. Это такое же поле, как любое другое, поэтому прямо на модели видно, какая часть стыка несёт нагрузку на выбранном шаге, а какая отошла. Ещё недавно это работало неверно: на раскрывающемся стыке всё нижнее тело показывало «залипание», потому что штрафная связь компилировалась как жёсткая. Теперь открытая пара так и обозначается, а помечаются только по-настоящему работающие пары.

Контактное давление считается из узловых контактных сил делением на трибутарную площадь узла и рисуется по граням, а не размазывается на соседние: угловой узел больше не «заражает» давлением перпендикулярные боковые грани. Оба поля, как и остальные, доступны на каждом сохранённом шаге, так что видно, как распределение давления складывается, а не только чем оно закончилось.

Чем проверяли

На задаче, где обе формулировки обязаны совпасть — два бруска сжаты без возможности отрыва, — контакт без трения расходится с эталоном жёсткой связи на 0,031 %. На той же геометрии, разбитой гексаэдрами вместо тетраэдров, два семейства элементов сходятся между собой на 1,07 %.

Способность размыкаться проверялась напрямую: стык нагрузили, разгрузили, затем потянули. Перемещение проходит путь 0 → −1,06 мкм → 0 → +1,06 мкм → 0: разгрузка возвращает ровно в ноль, а растяжение не тянет детали обратно. В другом тесте тела разведены на 10 мм — малая нагрузка сдвигает верхнее тело меньше зазора, и ничего не происходит, а большая закрывает зазор, и контакт включается.

Ограничения, прямым текстом

Всё это работает только в десктопном приложении: браузерная сборка контакт без трения пока не считает. Трения нет, и пара, которой назначено кулоновское трение, отклоняется с внятным сообщением, а не решается молча как контакт без трения. Вывод о сходимости делается по остаточному взаимному проникновению поверхностей, а не по полностью сошедшейся невязке равновесия, потому что набор контактирующих пар всё ещё дрожит у края области контакта. Натяг, несовпадающие сетки по стыку и самоконтакт внутри одного тела — впереди.

Все числа выше сняты на нативной сборке. Это осознанно: именно этим путём пользуются, а веб и натив на одной и той же модели могут расходиться по-настоящему.