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

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    07-Jan-2020
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  • ©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

  • 2 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    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

    10 Jahre FEM Erfahrung

    BOSCH Elektronik GmbH

    SIROCCO GmbH

    Vossloh-Kiepe GmbH, Leiter

    Berechnung & Konstruktion

    DI Dr. techn. Bernhard Hößl

    FE Spezialist

    16 Jahre FEM Erfahrung

    BMW, Audi

    7 Jahre CADFEM, Leiter Service

    3 Jahre RMMV

    Dr. Zoltan Kocsis, M.Sc.

    FE Spezialist

    14 Jahre FEM Erfahrung

    4 Jahre MA an der TU Budapest

    10 Jahre CADFEM,

    Leiter Consulting

  • 3 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    Inhalt des Vortrags

    • Methode zur effizienten Modellierung und Auswertung

    von Schrauben, Nieten und Schweißpunkten – umgesetzt in ACT

    • Schraubenfelder:

    Schlupf von Schrauben mit großen Schubkräften

  • 4 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    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?

  • 5 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    Wie modellieren und bewerten?

    ©Marco2811/Fotolia

  • 6 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    Wie modellieren und bewerten?

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

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

    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!

  • 8 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    ACT App: „Fast+More“

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

    Fast+More ist anwendbar bei Volumen oder Schalenmodellen …

    und erzeugt Verbindungselemente (Schrauben, Nieten oder Schweißpunkte)

    aus Balken- oder Volumenelementen.

  • 9 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    ACT App: „Fast+More“

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

    Die Verbindungselemente (Fasteners) können global oder einzeln gesteuert werden

  • 10 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    ACT App: „Fast+More“ - Postprocessing

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

    Reaktionskräfte und –momente werden übersichtlich im Modell dargestellt.

  • 11 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    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

  • 12 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    Detail-Aspekt:

    Schrauben-Schlupf

  • 13 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    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

  • 14 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    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

  • 15 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    Vektoren der Schubkräfte

    Grund dafür ist, dass die

    Schubkraftvektoren nicht in

    globaler Lastrichtung zeigen

  • 16 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    Modellaufbau, Vergleichsmodell

  • 17 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    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!

  • 18 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    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

  • 19 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    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

  • 20 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    effizienter Algorithmus für Schlupf in Fast+More

    Fastener-Balkenmodell

    mit Koppelknoten

  • 21 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    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

  • 22 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    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

  • 23 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    Berechnung mit Fast+More inkl. Schlupf

    für Schrauben-Betriebskraft

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

    Schraube wechselt von

    Haftreibung auf „Schlupf“

  • 24 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    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.

  • 25 ©7tech - GmbHFachkonferenz zur numerischen Simulation – CADFEM ANSYS Simulation Conference Switzerland, Rapperswil, 14.06.2018

    Demoversion downloaden unter:

    www.fast-and-more.com