Для моделирования механического взаимодействия нескольких тел в серьёзных конечноэлементных программах предусмотрены так называемые контактные пары. Обычно контактная пара представляет собой набор из элементов, расположенных на поверхностях контактирующих тел. Эти элементы формируются на наружных гранях соответствующих конечных элементов, принадлежащих контактирующим телам. При этом поверхность одного из тел называется контактной, поверхность другого тела – целевой. Во время расчёта для конечных элементов на контактной поверхности (contact elements) находятся соответствующие им конечные элементы на целевой поверхности (target elements). При этом поиск соответствия происходит только в рамках заданной контактной пары. В ANSYS элементы из одной контактной пары будут иметь общий номер набора параметров (real constant ID).
Все вычислительные процессы, такие как определение статуса контакта и расчёт контактного взаимодействия, происходят для элементов на контактной поверхности, в то время как элементы целевой поверхности просто служат для формирования исходных данных для этого расчёта.
Так какие же именно расчёты происходят в контактных элементах? Список дел у контактного элемента примерно следующий:
- Выполнить поиск целевых элементов из своей контактной пары в некой окрестности точек для расчёта контакта (contact detection point) в направлении от тела.
- Если целевые элементы найдены, определить, насколько близко они расположены и требуется ли формирование отклика (расчёт усилия взаимодействия) для предотвращения взаимного проникновения тел. Целевые элементы, которые расположены слишком далеко, исключаются из рассмотрения. Для близко расположенных целевых элементов определяется величина зазора либо проникновения.
- При обнаружении проникновения необходимо сформировать отклик в соответствии с заранее заданным методом расчёта контактного взаимодействия. По сути, при моделировании контакта используются пружины, реакция которых определяется исходя из условия минимизации либо полного исключения проникновения и прикладывается в виде силы либо давления к конечным элементам.