Variante 1: Modellierung in der gleichen Ebene
In Variante 1 wird der Ansatz verfolgt, beide Flächen in der gleichen Ebene zu modellieren. Gegeben sei hierfür eine große rechteckige Fläche (blau), welche durch eine zusätzliche Fläche (grün) verstärkt werden soll. Beide Flächen besitzen die gleichen Z-Koordinaten.
Mit einem Blick auf das FE-Netz des Gesamtsystems sowie der einzelnen Teilflächen wird klar, dass jede Fläche für sich vernetzt wird.
Im linken System sind die Elemente beider Flächen deckungsgleich. Im rechten System ist dies nicht der Fall. Hier wird das FE-Netz der großen Fläche durch andere in die Fläche integrierte Elemente beeinflusst.
Zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Wirkungsweisen wurde den kleinen Flächen ein sehr weiches Material zugewiesen. Auch werden nur die kleinen Flächen belastet, um das Verhalten gegenüber der großen Flächen besser darzustellen.
Aufgrund des deckungsgleichen FE-Netzes wirken die Flächen des linken Systems wie verklebt. Die Verformungen sind demzufolge identisch. Anders verhält es sich im rechten System. Durch die Verzerrung des FE-Netzes der Hauptfläche sind die Koordinaten der FE-Knoten nur in einigen Fällen identisch mit denen der kleinen Fläche. Nur in diesen Punkten findet eine Kraftübertragung statt. Dies erklärt auch die lokalen Verformungsspitzen der kleinen Fläche im mittleren Bereich.
Ändert man das Vorzeichen der Belastung, wird ebenso ersichtlich, dass es aufgrund der fehlenden Kontaktdefinition, keine obere und untere Fläche gibt. Beide Flächen können sich an den Stellen, an denen sie nicht durch deckungsgleiche FE-Knoten verbunden sind, kraftfrei durchdringen.
Fazit
Reale Modelle sind meist komplexer als die hier gewählten Beispiele. Das FE-Netz wird durch die unregelmäßigere Geometrie noch mehr beeinflusst, sodass es zu unvorhersehbaren Verbindungen oder Freigaben zwischen den Flächen kommen kann. In den Bereichen, in denen sich die Flächen unabhängig voneinander bewegen, können auch keine Kontaktbedingungen definiert werden. Von einer Modellierung mittels dieser Methode sollte daher abgesehen werden.
Variante 2: Addition der Flächendicken
Bestehen beide Flächen aus dem gleichen Material, liegt die Überlegung nahe, diese durch Addieren der Dicken in einer Fläche zu vereinen. Dies erfordert gegebenenfalls eine Zerteilung der Hauptfläche, ist jedoch grundlegend relativ einfach umsetzbar. Im Beispiel wurde eine 30 mm dicke Stahlplatte mit einer weiteren 30-mm-Platte verstärkt. Links daneben ein Model mit Volumenelementen zur Verifizierung.
Durch die vereinfachte Modellierung kann natürlich keine genaue Betrachtung bezüglich der Wechselwirkung der Flächen vorgenommen werden.
Variante 3: Modellierung mit Kontaktvolumen
Spielt die Wechselwirkung zwischen beiden Flächen eine maßgebende Rolle, so kann auf ein Kontaktvolumen zurückgegriffen werden. Dafür sollten beide Flächen in ihren Schwerebenen definiert werden. Der daraus folgende Abstand entspricht der Dicke des Kontaktvolumens. Diesem können im Nachgang die Kontaktbedingungen zugewiesen werden (beispielsweise Ausfall bei Zug, Reibung et cetera).
Die Modellierung anhand eines Stirnplattenstoßes wird im Video aufgezeigt.
