Kontaktphysikalische Simulation von Schichtsystemen

Leidner, Michael (2009)
Kontaktphysikalische Simulation von Schichtsystemen.
Technische Universität Darmstadt
Ph.D. Thesis, Primary publication

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Item Type:

Ph.D. Thesis

Type of entry:

Primary publication

Title:

Kontaktphysikalische Simulation von Schichtsystemen

Language:

German

Referees:

Schlaak, Prof. Dr. Helmut

Date:

19 August 2009

Place of Publication:

Darmstadt

Date of oral examination:

27 May 2009

Abstract:

Basierend auf Papkowich-Neuber Potentialen werden numerische Verfahren vorgestellt, mit deren Hilfe sowohl die elastisch-plastische Deformation, die Verteilung der inneren Span-nungen, als auch der Engewiderstand sowie die Stromdichteverteilung im Kontaktpunkt realer elektrischer Kontakte simuliert werden kann. Die Verfahren erlauben neben der Analyse gemessener 3D-Oberflächen auch die Simulation virtueller Oberflächentopographien mit vorgegebenen Rauheiten, fraktalen Eigenschaften bzw. Oberflächen-Anisotropien. Aufwendige FEM-Modelle zur Abbildung der Oberflächentopographie werden daher nicht benötigt. Die Kontaktpartner können wahlweise als Ein-, Zwei- oder Dreifachschichtsysteme unter-schiedlicher Materialpaarungen modelliert werden. Die mechanische Kontaktbelastung lässt sich sowohl durch Normalkraft als auch durch zusätzliche statische Reibkraft vorgeben. Aufgrund der verwendeten FFT (Fast Fourier Transformation) und Multigrid Algorithmen wurden die erforderlichen Rechenzeiten so weit minimiert, dass mittels gängiger PC Hardware Be-rechnungen mit Auflösungen von 124*124*64 Raumpunkten innerhalb weniger Minuten durchgeführt werden können. Die mit dem vorgestellten Verfahren simulierte Abhängigkeit zwischen Normalkraft und Kontaktwiderstand zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentell gemessenen Werten. Sämtliche Verfahren wurden in einer einfach zu bedienenden Software implementiert. Simulationsparameter und Ergebnisse lassen sich mittels einer Datenbank verwalten und dreidimensional visualisieren.

Alternative Abstract:

Alternative Abstract

Language

Due to ongoing miniaturization in electronics, connector contact designs have to follow the same trends. The prediction of the mechanical and electrical performance of low force con-nector contacts becomes increasingly important. This paper shows a new approach to model the elastic plastic contact of two multi-layered non-conforming rough bodies subjected to pressure and shear traction. Three main considerations will be presented. 1. To investigate the influence of the surface topography on contact performance, measured three dimensional digitized surfaces are not always available. Hence a numerical description of a real rough surface is of great importance. It can be shown, that an engineering surface can be modeled by five scale independent parameters, RMS roughness, x/y correlation length, kurtosis and skew. 2. Based on Papkovich-Neuber Potentials and both multi grid and conjugate gradient methods, a numerical algorithm has been developed to calculate the stresses and deformations in a contact system with up to three different layers per contact partner. The plastic deformation of the individual contact points (a-spots) can be interpolated using different material hardening behaviors. 3. If the a-spot distribution is known, the constriction resistance of the true contact area can be calculated. The voltage drop inside the contacting bodies is interpolated by solving the Laplace equation iteratively. The different electrical properties of the contact layers as well as the interaction of the individual a-spots, is also taken into account. The simulation algorithms are validated using a Au/Ni/CuSn6 contact system. The results show excellent agreement between measured and simulated contact resistance results over a normal force range from 1 gram up to 250 grams. The algorithms are implemented with an ‘easy to use’ windows interface “First Contact”. The software also incorporates a material database that when used together with a surface modeler; allows for the fast calculation and 3d visualization of all mechanical and electrical contact characteristics.

English

Uncontrolled Keywords:

Kontaktphysik, Engewiderstand, a-Spot, Mises-Stress, plastischer Kontakt, raue Oberflächen

Alternative keywords: