WH Zwickau Automobil- u. Maschinenbau Werkzeugmaschinen

WZM/UZAW

CATIA V5 – FEM-Simulation (Elfini-Solver)

w

ic

ka u

Prof. Dr.-Ing. habil. W. Klepzig

Nahe Verbindungen

6.4.2.1

Arten und Eigenschaften naher Verbindungen .h ab il.

.h

ab

il.

W

ol

fK

le

pz ig

,Z

6.4.2

Kopplungsrandbedingungen für geringe Abstände

te n rb eh al

vo

ht e

ec

te n

al

eh

rb

vo

ht e

ig

ep z Kl ol f W il. ha b ng . r.I D of . Pr ©

al

20 11

ec

ic

,Z w

ig

pz

fK le

ol W bi l. ha g. In r.of .D Pr 20 11 ©

nein

ja

ka

alle F und M Verbundene Teilegeometrien verhalten sich im Kopplungsbereich wie ein einziger Körper • Schweiß-, Löt-, Klebverbindung • Schraubenkopfauflage, wenn Schraubentlastung nicht modelliert werden muss.

©

20 11

Pr of

.D r.-

In g.

ha bi

l.

W

ol f

Kl

ep zi

g,

Zw

ic

ka

u

Fixierte Verbindung [Fastened Connection]

al le

©

R

20 11

Pr o

ec ht e

vo

f. D

rb

r.-

In

eh a

lte

n

g. ha bi l.

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W

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20 11

Kl

Pr of

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g,

.D r.-

In

Zw ic

g. h

ka

u

ab

il.

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W

R

ec h

ol fK le

te

pz

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ig ,Z

w

ic

lte eh a

Alle Bewegungen außer ⊥ BeDruck ⊥ lokales Flä- zugsgeometrien aufeinander zu. chenelement Innerhalb des positiven Sicherheitsabstandes auch aufeinander zu möglich. Sicherheitsabstand eingeben (0, + Spiel/2, - Passungsübermaß/2)!. Längere Rechenzeit als bei Gleit- o. fixierter Verbindung. • Gleitführung ohne „Umgriff“ • Press- bis Spielpassung • Schraubenkopfauflage, wenn Schraubentlastung modelliert werden muss. • Druck zwischen Freiformflächen (Analyseverbindung) • Hertzsche Pressung u

ja

n

nein

Kontaktverbindung [Contact Connection]

Tangentiales Gleiten zwischen Bezugsgeometrien möglich. • Gleitführung mit „Umgriff“/ Gleitlager • Gleitlager mit Spiel (auf Baugruppenbedingung Linienkontakt) • Kugelkalotte • Verdrehsicherung (z. B. auf Baugruppenbedingung Winkel zwischen ebenen Flächen) R

Zug u. Druck ⊥ lokales Flächenelement u. Momente um tangentiale Achsen (> alle F und M bei 3D-Freiformfläche außer Kugel)

ja

le

w

ic

nein

,Z

Gleitverbindung [Slider Connection]

ka

u

al

le

R

Benennung

R

Stützelemente ec

Symbol

elast. VerÜbertragung formbarkeit Zug, Druck, Bemerkung, Anwendung der Teile Momente berücksichtigt

Körper lokal versteift

al le

ht

e

Befehl

ka u

vo rb e

ha

Tabelle 7:

©

lte

n

©

20 1

1

20

11

Pr of

.D

r.-

Pr of .D

In g

r.In g

Die Stützelemente der Baugruppenbedingungen funktionieren nicht alle in jedem Fall. In der Regel müssen Kontakt, Abstand und Winkel auf zwei Teilflächen bezogen sein, nicht auf Punkte und Kanten. Auch wenn sich die Verbindungen mit solchen Stützelementen erzeugen lassen, sind sie nutzlos, wenn sie nicht genügend Freiheitsgrade binden.

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ka u

Prof. Dr.-Ing. habil. W. Klepzig

ic

w

,Z

pz ig

le

fK

Elast. Verbindung zwischen zwei Bezugsgeometrien • Silentblock • elastische Maschinenaufstellung In g

r.In g

alle F und M Alle Verschiebungen fixiert, auch tangentiale, die bei Gleitu. Kontaktverbindung möglich sind. „Überlappung“ = Passungsübermaß/2

ja

± F in Achs- Vorgespannte Schraubenverbindung mit/ohne Schraube. richtung Bedingung des Typs 'TeilflächeTeilfläche' zwischen dem Bolzengewinde und dem Gewinde des Bolzenstützelements. Flächen sollten kongruent sein. Achtung!!! Teilflächen müssen axial asymmetrisch zueinander liegen (sonst statt Linie für Ausrichtung des Schraubensymbols nur Punkt).

20 1

1

ja

ec

R

w

ka u

al le

u ka ic

vorzugswei-

se.

ol f

W

Kl

ol

ep z

ig

fK le

pz

ig

,Z w

ic

,Z

Schraubenverbindung (Bolzenverbindung) [Bolt Tightening Connection]

al

le

R

ht e

ec

ht

vo

e

rb eh al

vo rb e

te n

ha

©

lte

n

©

20

11

Pr of

.D

Pr of .D

.h ab il.

± F und ± M je nach definierten Federzahlen

r.-

nein

ol

Presspassverbindung [Pressure Fitting]

ja

W

nein

.h

Fixierte Federverbindung [Fastened Spring Connection]

ab

Stützelemente

Benennung

elast. VerÜbertragung formbarkeit Zug, Druck, Bemerkung, Anwendung der Teile Momente berücksichtigt

Körper lokal versteift

il.

Befehl Symbol

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CATIA V5 – FEM-Simulation (Elfini-Solver)

W il.

al

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ha b

eh

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R le al

n

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©

20 11

ec

Pr

20 11

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Pr

D

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ng .

r.-

In

g.

ha

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nur sehr kleiner Abstand

ec h

ol fK le

te

pz

vo rb

ig ,Z

w

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ic

lte

ka

Hertzsche Pressung kann mit dem CATIA-FEM-Elfini-Solver nicht hinreichend genau berechnet werden. Schraubenverbindungen

ab

il.

al le

W

R

6.4.2.2

g. ha bi l.

©

W

ol f

20 11

Kl

Pr of

ep zi

g,

.D r.-

In

Zw ic

g. h

ka

u

Die Modellierung von Verschraubungen mit dem Verbindungstyp „Eigenschaft der Bolzenverbindung“ – richtiger übersetzt „Eigenschaft der Schraubenverbindung“ – soll an Beispielen gezeigt werden. Als Startmodell für das erste Beispiel dient die Baugruppe Beispiele\Schraubverbind_Viertelschn.CATProduct.

R

al le

20 11

Pr o

ec ht e

vo

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rb

r.-

In

eh a

lte

n

Der das Schraubengewinde repräsentierende Zylinder überragt die Muttergewindebohrung nach beiden Seiten um die gleiche Länge. Die Gewinde sind also axial symmetrisch zueinander, was nach Tabelle 7 nicht möglich sein sollte. Deshalb ist nach dem ersten Analyseversuch die Mutterlänge zu modifizieren.

•

Im Baumzweig Knoten und Elemente die von CATIA automatisch generierten Tetraedernetze kontrollieren. Zur Überprüfung des FEM-Modells auf hinreichende Randbedingungen zunächst mit Elementtyp Linear rechnen.

•

Feste Einspannung der (Viertel-)Hülsenstirnfläche an der Mutterseite

•

Flächenloslager auf y-z-Schnittfläche der Schraube ©

20 11

Pr of

.D r.-

In g.

ha bi

l.

W

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Kl

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g,

Zw

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ka

u

Start > Analyse & Simulation > Generative Structural Analysis > Statikanalyse Warnhinweis, dass Hauptkörper des Steuerteils leer ist – i. O.

©

•

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ic

erzeugen für

,Z

Periodizitätsbedingungen

fK

le

pz ig

• • Schraube il.

W

ol

• • Mutter

1

20

11

Pr of

.D

r.-

Pr of .D

Bild 37: Periodizitätsbedingung

In g

r.In g

.h ab il.

.h

ab

• • Hülse

ht

vo

e

rb eh al

vo rb e

te n

ha

©

lte

n

©

20 1

Kontaktverbindungen zwischen Auflageflächen Schraubenkopf/Hülse sowie Mutter/Hülse, als Stützelement

•

te n al eh

D

Pr

20 11

ec

Pr

ht e

of .

Bild 38: In der Baugruppe definierte Bedingungen als Stützelement nutzen

20 11

al

le

R

• • oder erst Analysebedingungen als Stützelemente erzeugen.

ab

il.

al le u

g. h

ka

20 11

Kl

Pr of

ep zi

g,

.D r.-

In

Zw ic

Bild 39: Analysebedingung auf Stirnflächen

W

R

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ka

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R

al

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ec

R

ht e

ec

• • entweder Baugruppenbedingungen nutzen

vo

•

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CATIA V5 – FEM-Simulation (Elfini-Solver)

Dazu zweckmäßig Hülse verdecken sichtbaren Raum selektieren.

©

20 11

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20 11

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rb

r.-

In

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©

W

ol f

und Hülsenflächen als zweite Komponente im nicht

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S. 40 von 186

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ka u

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,Z

w

ic

Schraubverbindung modellieren

•

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ec

R le

al le

R

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ol f

W

Kl

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ka

Bild 40: Analyseverbindung der Gewindemantelflächen

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ec

ht

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rb eh al

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©

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r.-

Pr of .D

In g

r.In g

.h ab il.

.h

ab

il.

W

ol

fK

le

pz ig

• • Analyseverbindung der „Gewinde“

vo ht e ec al

le

R

20 11

u

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ka

n

ic

lte

ig ,Z

w

eh a

pz

vo rb

ol fK le

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ab

, zunächst nur Vernetzung

R

20 11

Pr o

ec ht e

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rb

r.-

In

eh a

lte

n

g. ha bi l.

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W

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Kl

Pr of

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g,

.D r.-

In

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g. h

ka

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Berechen

il.

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W

R

Bild 41: Schraubverbindung mit Vorspannung •

te n eh rb

r.I

D

of .

Pr

Pr

of .D

Als Stützelement im Baumzweig Analyseverbindungsmanager die Analyseverbindung Bild 40 selektieren.

©

20 11

al

ng .

r.-

In

g.

ha b

il.

• • Schraube mit Vorspannkraft als „Eigenschaft der Bolzenverbindung“ erzeugen

Zw

ic

ka

u

©

al le

Bild 42: Fehlermeldung bei axial symmetrisch zueinander liegenden Mantelflächen für Schrauben- und Muttergewinde

.D r.-

Im Bauteil Mutterlänge modifizieren, z. B. von 20 mm auf 22 mm verlängern (Bild 43). Damit ist das Muttergewinde in Achsrichtung nicht mehr symmetrisch zum Schraubengewinde. ©

20 11

Pr of

•

In g.

ha bi

l.

W

ol f

Kl

ep zi

g,

Modell: Beispiele\Ana10_Schraubverbind_Viertelschn_nichtfkt.CATAnalysis (TE10-Elemente) mit axial symmetrisch zueinander liegenden Gewindeflächen. Mutterlänge modifizieren durch Verlängern oder Verkürzen des Blocks gem. Bild 43, danach Baugruppe aktualisieren.

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S. 41 von 186

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CATIA V5 – FEM-Simulation (Elfini-Solver)

ic

ka

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R

al

le

ec

R

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ec

ht

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e

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vo rb e

Bild 43: Mutterlänge modifizieren

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ha

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lte

n

©

20 1

1

20

11

Pr of

.D

r.-

Pr of .D

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il.

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,Z

w

ic

ka u

Prof. Dr.-Ing. habil. W. Klepzig

•

Elementtyp von Linear

•

Berechnen Alle

•

Spannungen und Verschiebungen anzeigen lassen, bei der extrem kleinen Vorspannkraft natürlich nur sehr kleine Werte.

,Z w

te n

al

eh

vo ht e R le al

W

ol f

20 11

Kl

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.D r.-

In

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W

R

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pz

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ig ,Z

w

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©

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Pr

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of .

Pr

D

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In

g.

ha b

il.

ha

W

bi l.

ol f

W

Kl

ol

ep z

fK le

in Parabolisch umwandeln

ig

pz

ig

ic

,Z

, zunächst nur Vernetzung. Jetzt wird Bolzenverbindung akzeptiert. ka u

Erneut Berechen

w

•

eh a

lte

n

g. ha bi l.

©

Bild 44: Von Mises Spannung oben und Translationsverschiebungsgröße unten

R

al le

20 11

Pr o

ec ht e

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f. D

rb

r.-

In

Zum Testen des Schraubverbindungsmodells sollen durch eine Längskraft auf die Hülse die Schraubenvorspannung aufgehoben werden und dann durch eine Zugkraft am Schraubenkopf die Hülsenvorspannung. auf Hülsenstirnfläche Fz -10000 N > von Mises-Spannung berechnen

•

Dichte der Kraft auf Hülsenstirnfläche Fz 0 N und auf Schraubenkopfstirnfläche Fz 3000 N > von Mises-Spannung berechnen (Bild 45 unten) W

ol f

Kl

ep zi

g,

Zw

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ka

u

Dichte der Kraft (Bild 45 oben)

©

•

, wenn die Vorspannkraft mit Sicherheit immer erhalten bleibt.

©

20 11

Pr of

.D r.-

In g.

ha bi

l.

Die Entlastungen funktionieren mit einer Kontaktverbindung einwandfrei. Da Kontaktverbindungsnetze mehr Rechnerressourcen erfordern, ist auch eine fixierte Verbindung möglich

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1

20

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Pr of

.D

r.-

Pr of .D

In g

r.In g

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.h

ab

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W

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Prof. Dr.-Ing. habil. W. Klepzig

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lte

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©

20 1

Bild 45: Von Mises-Spannung bei Fz -10000 N auf Hülsenstirnfläche oben, bei Fz 3000 N auf Schraubenkopfstirnfläche unten

le

ec

R

ht e

ec

ht

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e

Die analytisch aus dem Vorspanndiagramm berechneten Grenzen der Vorspannung stimmen mit den CATIA-Berechnungsergebnissen der Eigenschaft der Schraubenverbindung gut überein. ka u

ic

ka

u

al le

R

al

Weitere Modelle:

Beispiele\Ana11_Schraubverbind_Viertelschn_fixVerb.CATAnalysis pz

ig

,Z w

ic

,Z

w

•

ep z

ig

fK le

• • Kein Spalt zwischen Schraubenkopf und verspanntem Element (Hülse) möglich, weil durch

te n

g.

ha b

il.

ha

W

bi l.

ol f

W

Kl

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die fixierte Verbindung bei einer Zugkraft auf den Schraubenkopf die Hülse mit gedehnt wird und bei einer Druckkraft auf die Hülse die Schraube verschoben wird. al

eh

ec

Pr

ht e

of .

vo

D

rb

r.I

Schraube und Mutterbuchse. Mit diesem Stützelement muss die Mutterlänge nicht modifiziert werden, weil die Schraubenachse unsymmetrisch zur Mutterachse liegt. R

20 11

©

20 11

Pr

of .D

ng .

r.-

In

• • Stützelement der Schraubverbindung ist die Baugruppenbedingung Kongruenz zwischen

ka

u

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R

20 11

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Beispiele\Ana12_M16_aufAnalyverb_KopfKontaktverb.CATAnalysis zum Nachrechnen der Spannungen

•

g,

Zw

ic

Bild 46: Spannungen in der M16-Schraube bei 15 kN Vorspannkraft

W

ol f

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Dargestellt sind die größten Spannungen im Ausrundungsradius des Schraubenkopfes. Beachtet werden muss dabei aber, dass die Gewindegänge ja gar nicht modelliert sind.

©

20 11

Pr of

.D r.-

In g.

ha bi

l.

Bild 47 zeigt die Schraubenspannung mit modellierten die Gewindegängen. Nur die in einer Richtung tragenden Flanken von Schrauben sowie Muttergewinde werden als Komponenten einer Analyseverbindung gewählt und diese Analyseverbindung als Stützelement einer Gleitverbindung. CATIA-FEM-Kompendium_2011.doc

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20 1

1

20

11

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Prof. Dr.-Ing. habil. W. Klepzig

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Bild 47: Größte Spannung im ersten tragenden Gewindegang bei Modellierung der Gewinde u

al le

R

al

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ec

Nur zum Testen möglicher Stützelemente dient das Modell

te n al eh vo ht e R le al

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w

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Pr

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of .

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w

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ka

Wird als Stützelement der Schraubverbindung in der Baugruppe eine Offsetbedingung statt der Kongruenzbedingung zwischen den „Gewindeflächen“ von Schraube und Mutter mit einem Abstand von 0 mm erzeugt, muss die Mutterlänge nicht modifiziert werden, weil der Offset sich bei rotationssymmetrischen Teilen ebenfalls auf die Achsen bezieht und die Schraubenachse unsymmetrisch zur Mutterachse liegt.

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