Dipl.-Ing. Christoph Schlegel 7tech GmbH...1 Fachkonferenz zur numerischen Simulation –CADFEM...

©7tech - GmbH

Hunderte Schrauben inkl. Schlupf berechnen leichtgemacht

Dipl.-Ing. Christoph Schlegel

7tech GmbH

1 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

Steckbrief der 7tech GmbH

• Ingenieurbüro für Berechnungsdienstleistung

• Finite Elemente Simulation in ANSYS®

• Programmierung in ANSYS ACT und APDL

Partner der

CADFEM (Austria) GmbH

CADFEM GmbH

www.7tech.at


Mitarbeiter der 7tech GmbH

DI Christoph Schlegel

FE Spezialist, Geschäftsführer

19 Jahre FEM Erfahrung

6 Jahre MAN

9 Jahre CADFEM, Leiter Technik

seit 2015 7tech GmbH

DI Szilveszter Palla

FE Spezialist


BOSCH Elektronik GmbH

SIROCCO GmbH

Vossloh-Kiepe GmbH, Leiter

Berechnung & Konstruktion

DI Dr. techn. Bernhard Hößl

FE Spezialist


BMW, Audi

7 Jahre CADFEM, Leiter Service

3 Jahre RMMV

Dr. Zoltan Kocsis, M.Sc.

FE Spezialist


4 Jahre MA an der TU Budapest

10 Jahre CADFEM,

Leiter Consulting


Inhalt des Vortrags

• Methode zur effizienten Modellierung und Auswertung

von Schrauben, Nieten und Schweißpunkten – umgesetzt in ACT

• Schraubenfelder:

Schlupf von Schrauben mit großen Schubkräften


Wie modellieren und bewerten?

source: grabcad.com „Reductor“ by Mateusz Szab

94 Schrauben

Wie modellieren und bewerten Sie derzeit Modelle mit mehreren Schrauben wie dieses?

Wie lange brauchen Sie dafür?



©Marco2811/Fotolia



source: grabcad.com „Tower Transmision“ by Le Thiet


ACT App: „Fast+More“

für Details siehe: www.fast-and-more.com

Fast+More ermöglicht die Modellierung und Auswertung von hunderten

Schrauben oder Nieten mit nur wenigen Klicks!




Fast+More ist anwendbar bei Volumen oder Schalenmodellen …

und erzeugt Verbindungselemente (Schrauben, Nieten oder Schweißpunkte)

aus Balken- oder Volumenelementen.




Die Verbindungselemente (Fasteners) können global oder einzeln gesteuert werden


ACT App: „Fast+More“ - Postprocessing


Reaktionskräfte und –momente werden übersichtlich im Modell dargestellt.


Zeitersparnis, Wirtschaftlichkeit

• Modellannahme:

– 50-200 Schrauben oder Nieten

– 10-20 Lastfälle

– Auswertung aller Schrauben

• Zeitersparnis für Modellierung und Auswertung ALLER Verbindungselemente mit

„Fast+More“: geschätzt mindestens 1-3 Tage

• Software-Invest amortisiert sich nach wenigen Projekten / Monaten!

• „Fast+More“ ist bisher im Praxiseinsatz für FE-Modelle mit > 2000 Schrauben und Nieten


Detail-Aspekt:

Schrauben-Schlupf


Fx = 100kN

Fz = 10kN

Anwendungsbeispiel mit 16 Schrauben

F

16 Stk. M14x1,5 Schrauben

mit m=0,15 und 94 kN Vorspannkraft

überschlägige Abschätzung der übertragbaren

Haftreibung je Schraube ~ 94kN * 0,15 = 14,1 kN

16 Stk. * 14,1 kN = 225,6 kN >> Fx=100kN

lt. Überschlagsrechnung

sollte Schraubenverbindung

funktionieren


Detailauswertung der Schubkraft je Schraube

mit m=0,15 und 94 kN Vorspannkraft

Haftreibung für Schrauben-Betriebskraft ~ 70kN * 0,15 = 10,5 kN

Trotzdem überschreiten bei

detaillierter Auswertung

mehrere Schrauben die

Haftreibung


Vektoren der Schubkräfte

Grund dafür ist, dass die

Schubkraftvektoren nicht in

globaler Lastrichtung zeigen


Modellaufbau, Vergleichsmodell


Vergleich linear ↔ nichtlinear

Haften (Bonded Contact)

Durchbiegung 0,18 mm

Schlupf

0.0 mm

Lineares Modell mit Haftung

Querkraft

22,4 kN

+63% über

Haftreibkraft 14,1 kN

M14x1,5 94 kN Vorspannkraft

*0,15 = 14,1 kN Haftreibkraft

reibungsbehafteter Kontakt mit m=0,15

Durchbiegung 0,31 mm (+72%)

Schlupf

0.026 mm

Nichtlineares Modell mit Reibung

Querkraft

14,1 kN

Querkraft um

+37% reduziert!


Wie reagiert die Schraube auf Schlupf

0.026 mm Schlupf

0,7% plastisch 1,0% plastisch

Vorspannung

Kleine Schlupfwege führen nur

zu geringer Mehrbelastung der

Schraube


Grenzverschiebung Losdrehen

Quelle: „Schraubenverbindungen Grundlagen, Berechnung, Eigenschaften, Handhabung“, 5.Auflage

Autoren: Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Kloos, Dr.-Ing. Wolfgang Thomala

Kapitel 9.3, Seite 385

Grenzverschiebung ab

der Kopf bzw. die Mutter

ebenfalls gleiten losdrehen

Fv = 94kN

mK = 0.15

lK = 20 mm

M14x1.5: D=12.6mm 1243mm^4

sG = 0.038 mm


effizienter Algorithmus für Schlupf in Fast+More

Fastener-Balkenmodell

mit Koppelknoten


Vergleich Fast+More Modellierung MIT / OHNE Schlupf

„Fast+More“ Modellierung OHNE Schlupf

„Fast+More“ Modellierung MIT Schlupf

Schlupf

0.0 mm

Schlupf

0.028 mm

Querkraft

20,7 kN

Querkraft

14,1 kN

Modellierung lt. VDI2230 Modelclass 1


Rechenzeitvergleich

„Fast+More“ Modellierung MIT Schlupf

Nichtlineares Modell mit Reibung

Elapsed Time 106 sec

2 lineare Iterationen:

Elapsed Time 9 sec

min. Faktor 10-20

schneller


Berechnung mit Fast+More inkl. Schlupf

für Schrauben-Betriebskraft

~ 70kN * 0,15 = 10,5 kN

Schraube wechselt von

Haftreibung auf „Schlupf“


Zusammenfassung

• (Mikro-) Schlupf führt zu erheblicher Reduktion von Querkräften

• (Mikro-) Schlupf führt zu Umlagerung der Querkräfte auf Nachbarschrauben und ändert

auch die Querkraft-Richtungen in der Umgebung

• Bei Schraubenfeldern ist Umlagerung der Querkräfte (durch Schlupf) essenziell

… bei Einzelschrauben ist Schlupf weniger von Interesse

• Zur Quantifizierung der Schlupfwege und der Lastumlagerung ist Simulation

unumgänglich

• max. zulässigen Schlupfwege ist u.a. abhängig von Durchmesser/Längen-Verhältnis der

Schrauben. Eine Diplomarbeit zur Validierung läuft …

• Effiziente Simulationsmethode im App implementiert. Min. 10-20 mal schneller als

klassische nichtlineare Simulation mit Vorspannung und Reibung.


Demoversion downloaden unter:

www.fast-and-more.com

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