Studienarbeit Shane Lilley FINAL

5/11/2018 Studienarbeit Shane Lilley FINAL - slidepdf.com

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FACHHOCHSCHULE FLENSBURG

Analyse von

Schraubenverbindungen

in Abaqus/CAE

Studienarbeit über Verfahren zur Erstellunggeeigneter Modelle

Shane P. Lilley – Matrikel-Nr. : 360818

22.09.2010



Analyse von Schraubenverbindungen in Abaqus/CAE

22. September 2010

2 | S e i t e

Inhalt

1. Vorwort .................................................................................................................................... 4

2. Schraubenverbindungen per Hand berechnen .......................................................................... 5

2.1 Einleitung ......................................................................................................................... 5

2.2 Rechenschritte für die Auslegung der Schraubenverbindung .......................................... 6

2.2.1 R0 – Ermittlung des Nenndurchmessers .................................................................. 6

2.2.2 R1 – Ermittlung des Anziehfaktors .......................................................................... 7

2.2.3 R2 – Ermittlung der erforderlichen Mindestklemmkraft .......................................... 8

2.2.4 R3 – Kräfteverhältnis und Nachgiebigkeit ............................................................... 9

2.2.5 R4 – Vorspannkraftänderung ................................................................................. 112.2.6 R5 – Ermittlung der Mindestmontagevorspannkraft .............................................. 12

2.2.7 R6 – Ermittlung der Maximalmontagevorspannkraft ............................................. 12

2.2.8 R7 – Überprüfung der Schraubengröße .................................................................. 12

2.2.9 R8 – Ermittlung der Längenänderungen nach der Montage ................................... 13

2.2.10 R9 – Ermittlung des erforderlichen Anziehdrehmoments ...................................... 13

2.2.11 R10 – Ermittlung der Spannungen ......................................................................... 14

2.2.12 R11 – Ermittlung der Vergleichsspannung ............................................................ 14

2.2.13 R12 – Ermittlung der Flächenpressung .................................................................. 15

2.3 Ergebnis .......................................................................................................................... 15

3. Analyse der Schraubenverbindung in Abaqus/CAE .............................................................. 16

3.1 Einleitung ....................................................................................................................... 16

3.2 Erstellen des Simulationsmodells ................................................................................... 17

3.2.1 Modellieren der Schraube ....................................................................................... 17

3.2.2 Einfügen des Modells in die Baugruppe................................................................. 18

3.2.3 Wahl und Zuweisung des Materials ....................................................................... 20

3.2.4 Steps erzeugen ........................................................................................................ 20

3.2.5 Kontaktbedingungen erstellen ................................................................................ 21

3.2.6 Vorspannung definieren ......................................................................................... 27

3.2.7 Randbedingungen definieren .................................................................................. 29

4. Alternative Modellbildung ..................................................................................................... 30

4.1 Einleitung ....................................................................................................................... 30

4.2 Idealisierung einer Schraube als „Connector“-Element ................................................. 30

5. Analyse der Berechnungen ..................................................................................................... 325.1 Direkter Vergleich „Bolt-Load“-Methode und „Connector“-Methode .......................... 32




22. September 2010

3 | S e i t e

6. Python Script zur Teilautomatisierung der Modellerstellung ................................................. 39

6.1 Beschreibung des Plug-ins ............................................................................................. 39

6.2 Installation des Plug-ins ................................................................................................. 41

Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................... 42Literaturverzeichnis ........................................................................................................................ 43

Anhang ........................................................................................................................................... 44

A. Quellcodes für das Plug-In ................................................................................................. 44

A.1 screw_plugin.py ............................................................................................................. 44

A.2 screwModule.py ............................................................................................................. 47

A.3 screwDB.py .................................................................................................................... 50




22. September 2010

4 | S e i t e

1. Vorwort

Im Maschinenbau sind lösbare Verbindungen zwischen einzelnen Komponenten unerlässlich. Eine

dauerfeste Verbindung wie etwa Schweißen oder Kleben ist in vielen Fällen aufgrund

montagetechnischer Schwierigkeiten nicht möglich, daher ist man in solchen Fällen auf

Schraubenverbindungen angewiesen.

Die Schraube ist das am häufigsten und vielseitigsten verwendete Maschinen- und Verbindungselement, das gegenüber allen anderen in den weitaus verschiedenartigsten Formenhergestellt und genormt ist. Man unterscheidet Schrauben je nach Nutzung in folgenden Kategorien:

- Befestigungsschrauben für die Herstellung von Spannverbindungen. Hier führt die Drehbewegung der Schraube zum Verspannen von (meist) zwei Bauteilen, d.h. kinetische

Energie wird in potentielle Energie umgewandelt. Die potentielle Energie kann für Funktionen wie z.B. Kompensierung eines wesentlichen Teiles der Betriebskraft inSchraubenlängsrichtung. Reibschluss zwischen zwei Kupplungshälften, Sicherung der Verbindung gegen Losdrehen, Abdichtung von Trennfugen genutzt werden.

- Bewegungsschrauben zum Umwandeln von Drehbewegungen in Längsbewegungen bzw. zumErzeugen großer Kräfte, z.B. bei Spindeln von Drehmaschinen (Leitspindeln), Ventilen,Spindelpressen, Schraubenwinden, Schraubstöcken und Schraubzwingen oder zumUmwandeln von Längsbewegungen in Drehbewegungen (technisch selten genutzt). DasWirkprinzip entspricht damit dem eines Schraubgetriebes.

- Dichtungsschrauben zum Verschließen von Einfüll- und Auslauföffnungen, z.B. beiGetrieben, Lagern, Ölwannen und Armaturen; Einstellschrauben zum Ausrichten vonGeräten und Instrumenten, zum Einstellen von Ventilsteuerungen u.a.; ferner Messschrauben,Spannschrauben (Spannschloss) u.a.

Im Stahlbau werden Schraubenverbindungen aus Gründen des leichteren Transports und Zusammenbaus auf der Baustelle, z.B. von sperrigen Fachwerkkonstruktionen, oder bei schwer zugänglichen Stellen, wo Nieten oder Schweißen nicht möglich ist, angewendet. 1

Der Inhalt dieser Studienarbeit befasst sich ausschließlich mit Befestigungsschrauben. Ferner wird nur

auf die Erzeugung reibschlüssiger Verbindungen zwischen zwei Kupplungshälften eingegangen.

Wenn nicht anders erwähnt, werden für die in dieser Studienarbeit enthaltene Simulationsmodelle

Sechskantschrauben mit großer Schlüsselweite und Schaft (DIN 6914) mit der Festigkeitsklasse 8.8

verwendet.

Für die Erstellung und Analyse der FEM-Simulationsmodelle wird als Präprozessor, Solver und

Postprozessor Abaqus/CAE verwendet. Da dieses Programm keine für den deutschen Raum

lokalisierte Version bereitstellt, werden im Laufe dieser Ausarbeitung häufig englische Begriffe

benutzt. Dies dient dazu Verwirrungen vorzubeugen, da diese Begriffe auch so in Abaqus/CAE

verwendet werden.

1 [MWJV07] S. 217




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5 | S e i t e

2. Schraubenverbindungen per Hand berechnen

2.1 Einleitung

Damit ein sinnvoller Vergleich der Analyse-Ergebnisse aus Abaqus/CAE zu realen Werten gezogenwerden kann, muss zunächst eine einfache Schraubenverbindung „per Hand“ ausgelegt und berechnet

werden. Das Hauptaugenmerk dieser Studienarbeit liegt auf Schraubenverbindungen, die einer

Querkraft ausgesetzt werden. Die Berechnung der Schraubenverbindung erfolgt nach VDI 2230.

Es wird im Folgenden eine einfache Schraubenverbindung berechnet. Die Schraube soll zwei

Stahlplatten reibschlüssig miteinander verbinden. Eine Stahlplatte ist fest eingespannt, während auf

der Stirnseite der anderen Stahlplatte eine Kraft von 8 kN wirkt. Die Schraube soll eine

Festigkeitsklasse von 8.8 besitzen.




22. September 2010

6 | S e i t e

2.2 Rechenschritte für die Auslegung der Schraubenverbindung

2.2.1 R0 – Ermittlung des Nenndurchmessers

Eine überschlägige Ermittlung des Schraubendurchmessers d erfolgt nach untenstehender Tabelle:

Tabelle 1: Überschlägige Ermittlung von d nach [VDI 2230]

1) In Spalte 1 ist die nächst größere Kraft zu der an der Verschraubung angreifenden

Betriebskraft zu wählen. In diesem Fall sind das 10.000 N

2) Die erforderliche Mindestvorspannkraft ergibt sich, indem von dieser Zahl 4

Schritte weitergegangen werden. Hier sind das 63.000 N

3) Die erforderliche maximale Vorspannkraft ergibt sich, indem von dieser Zahl 1

Schritt weitergegangen wird. Hier entspricht das einer Kraft von 100.000 N

4) In der Spalte 4 findet man unter der Festigkeitsklasse nun die passende Schraube. Hier

entspricht das einer M20.




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7 | S e i t e

2.2.2 R1 – Ermittlung des Anziehfaktors

Der Anziehfaktor berücksichtigt die Streuung der erzielbaren Montagevorspannkraft zwischen

und . Abhängig vom Anziehverfahren kann der Anziehfaktor der folgenden Tabelle

entnommen werden.

Tabelle 2: Ermittlung des Anziehfaktors aus [HaBo06] S. 191

Das gängige Anziehverfahren ist das drehmomentgesteuerte Anziehen mit einem

Drehmomentschlüssel. Es wird daher ein Anziehfaktor gewählt.

Dieser Wert lässt sich jedoch auch mit folgender Gleichung ermitteln:

Vereinfacht wird für den Anziehfaktor der Wert angenommen.




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8 | S e i t e

2.2.3 R2 – Ermittlung der erforderlichen Mindestklemmkraft

Der Reibschluss zur Übertragung einer Querkraft wird wie folgt berechnet:

Sicherheit

Querkraft

Reibbeiwert

Anzahl der Reibflächen

Anzahl der Schrauben

Für den Reibbeiwert wird folgende Tabelle zur Hand genommen.

Tabelle 3: Reibbeiwerte aus [HaBo06], S. 191

Es wird davon ausgegangen, dass die Schraube von der Oberflächenbeschaffenheit blank ist und ohne

besondere Schmierung zum Einsatz kommt. Daher wird der Reibbeiwert mit 0,14 festgelegt. Mit den

Vorgaben aus der Aufgabenstellung aus Kapitel 2.1 und einem Sicherheitswert von 1 erhält man

folgendes Ergebnis:




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9 | S e i t e

2.2.4 R3 – Kräfteverhältnis und Nachgiebigkeit

Die Schraube setzt sich aus einer Anzahl von Einzelelementen zusammen, die durch zylindrische

Körper verschiedener Längen und Querschnitte gut ersetzbar sind.

Abbildung 1: Schema der hier angestrebten Verschraubung

Die Nachgiebigkeit eines zylindrischen Einzelelements folgt zu mit dem Elastizitätsmodul

des Schraubenwerkstoffs. Die Nachgiebigkeit der Schraube insgesamt wird .Alternativ kann auch mit der Federsteifigkeit gerechnet werden. Diese berechnet sich zu:




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10 | S e i t e

Folgende Werte werden für die Berechnung genutzt:2

Somit erhält man für die Federsteifigkeit der Schraube:

Die Federsteifigkeit der Platten wird wie folgt berechnet:

ist das Elastizitätsmodul des Plattenwerkstoffs und ist die

Klemmlänge der Schraube. ist der Querschnitt des Ersatzhohlzylinders der verspannten Teile (s.

Abbildung 2). Dieser lässt sich mit folgender Gleichung berechnen:

Außendurchmesser der Kopf- oder Mutterauflage

Durchmesser der Durchgangsbohrung 3

Für Stahl 4

Einsetzen der Werte ergibt für :

Und somit für :

2 [Böge91] Tabelle 2.18 – Metrisches ISO-Gewinde nach [DIN 13], S. 233 [Böge91] Tabelle 2.13 – Geometrische Größen an Sechskantschrauben, S. 214 [Böge91] Kapitel 2.4-5 – Berechnung vorgespannter Schraubenverbindungen bei axial wirkender Betriebskraft




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11 | S e i t e

Abbildung 2: Aus [BeGr07] - Ersatzdruckzylinder zur Berechnung der elastischen Nachgiebigkeit von verspannten

Hülsen und Platten nach [VDI2230], Ausgabe 1986

Mit diesen Werten lässt sich das Kraftverhältnis berechnen:

2.2.5 R4 – Vorspannkraftänderung

Die Vorspannkraftänderung aufgrund der Belastung und dem damit einhergehenden Setzbetrag

lässt sich mit folgender Gleichung berechnen:

Wobei sich der Setzbetrag wie folgt zusammensetzt:

Somit gilt:




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12 | S e i t e

2.2.6 R5 – Ermittlung der Mindestmontagevorspannkraft

Die erforderliche Mindestmontagevorspannkraft erhält man bei Beachtung von

Vorspannkraftänderungen unter der Annahme der größten möglichen Entlastungen der Verbindung:

Da in diesem Modell davon ausgegangen wird, dass keine Axialen Kräfte auf die Schraube wirken,

kann die Gleichung vereinfacht werden zu:

2.2.7 R6 – Ermittlung der Maximalmontagevorspannkraft

Unter Berücksichtigung von Kapitel 2.2.2 ergibt sich die mögliche Maximalmontagevorspannkraft zu:

2.2.8 R7 – Überprüfung der Schraubengröße

Für den Fall, dass die Vergleichsspannung im Montagzustand nur eine anteilige Ausnutzung der nach

ISPO 898-1 genormten Mindeststreckgrenze der Schraube zugelassen wird, gilt mit dem

Ausnutzungsgrad :

Üblicherweise wird auf 90% der Streckgrenze angezogen, das heißt:

Die erste Kontrolle, um sehen zu können ob die Schraube richtig dimensioniert wurde, wird

durchgeführt indem mit der Streckgrenzkraft verglichen wird.




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13 | S e i t e

Für die in Kapitel 2.2.1 gewählte Schraube muss gelten:

Diese Bedingung wurde erfüllt, da .

2.2.9 R8 – Ermittlung der Längenänderungen nach der Montage

Die Längenänderung der Schraube beträgt:

Die Längenänderung der Platten beträgt:

2.2.10 R9 – Ermittlung des erforderlichen Anziehdrehmoments

Das erforderliche Anziehdrehmoment für die Montage lässt sich berechnen zu:

Flankendurchmesser am Gewinde

Steigungswinkel am Gewinde 5

Reibwinkel am Gewinde 6

Mit den nun bekannten Werten lässt sich das erforderliche Anziehdrehmoment berechnen. Dieser

beträgt:

5 [Böge06] Tabelle 2.18 – Metrisches ISO-Gewinde nach DIN 13, S. 236 [Böge06] Kapitel 2.4-14, S. 15




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14 | S e i t e

2.2.11 R10 – Ermittlung der Spannungen

Die Montagevorspannung errechnet sich zu:

Die Torsionsspannung errechnet sich zu:

Wobei das polare Widerstandsmoment der Schraube ist. Daraus ergibt sich für die

Torsionsspannung:

2.2.12 R11 – Ermittlung der Vergleichsspannung

Für die Vergleichsspannung bzw. reduzierte Spannung muss folgendes gelten:

Das Einsetzen der Werte ergibt:

Da das Kriterium erfüllt wurde, muss im folgenden Schritt lediglich die Flächenpressung berechnet

werden.




22. September 2010

15 | S e i t e

2.2.13 R12 – Ermittlung der Flächenpressung

Für die Flächenpressung gilt folgendes Kriterium:

Den Wert für entnimmt man der Tabelle 4.

Tabelle 4: Grenzflächenpressung (nach VDI 2230), aus [HaBo06], S. 198

Es wird als Werkstoff ein Stahl ähnlich dem S 235 J gewählt, somit erhält man für die

Grenzflächenpressung

Das Einsetzen der Werte ergibt:

2.3 Ergebnis

Da die Kriterien aus 2.2.8, 2.2.12 und 2.2.13 sämtlich erfüllt wurden, kann eine Schraube mit dem

Nennmaß M20 bedenkenlos bei einer dynamischen Betriebsquerkraft von 8000 N verwendet werden.




22. September 2010

16 | S e i t e

3. Analyse der Schraubenverbindung in Abaqus/CAE

3.1 Einleitung

Mit dem FEM Softwarepaket Abaqus/CAE lassen sich relativ leicht Modelle von

Schraubenverbindungen erzeugen. Hierzu bietet Abaqus/CAE ein einfaches Verfahren für die

Einleitung einer Vorspannkraft in einen Schraubenschaftquerschnitt. In anderen Softwarepaketen muss

nach wie vor mit der umständlicheren Methode zur Erzeugung der Vorspannkraft gearbeitet werden.

Hierzu muss zunächst der Schraube ein thermischer Koeffizient zugewiesen werden. Dann wird in

einem Analyseschritt eine Temperaturdifferenz auf die Schraube aufgebracht, die ein Abkühlen

simuliert. Aufgrund dieser Abkühlung schrumpft die Schraube und spannt somit die zu

verschraubenden Bauteile ein. Da dies ein iteratives Verfahren aufgrund eines Schätzwertes für die

Temperaturdifferenz ist, muss dieser Schritt und eben auch die Berechnung dazu solange wiederholt

werden, bis ein akzeptables Ergebnis vorliegt.

In Abaqus/CAE erzeugt man lediglich einen Analyseschritt, in dem ein Lastfall vom Typ „Bolt-Load“

definiert wird. Hier kann direkt die Vorspannkraft oder die Längenänderung der Schraube eingegeben

werden. Diese Methode muss nur einmal angewendet werden und erzielt die präzisesten Ergebnisse.

In diesem Kapitel wird der Vorgang beschrieben, wie ein Modell einer Schraubenverbindung in

Abaqus/CAE ähnlich dem theoretischen Modell aus Kapitel 2 zu erzeugen.




22. September 2010

17 | S e i t e

3.2 Erstellen des Simulationsmodells

3.2.1 Modellieren der Schraube

Für die Berechnungen, die hier durchgeführt werden, kommen vereinfachte Modelle von Schrauben

zum Einsatz. Sie bestehen aus Schraubenkopf, Schraubenschaft und Mutter. Diese drei Teile werden

aus „einem Guss“ erzeugt, d.h. es wird eine Skizze von der halben Schraube mitsamt Mutter

gezeichnet und rotatorisch extrudiert (s. Abbildung 3).

Hier wurde eine M20 Schraube erstellt mit einer Schaftlänge von 32mm. Der Kopf und die Mutter der

Schraube haben jeweils einen Durchmesser von 30mm.

Abbildung 3: Skizze der Schraube

Anschließend wird der Schaft an den Stellen, wo Kopf und Mutter ansetzen und in der Mitte

partitioniert, um eine Fläche zu erzeugen, auf der die Vorspannung aufgebracht wird. (s. Abbildung 4).

Generell wird nur eine Fläche im Schraubenschaft benötigt, in der die Vorspannung aufgebracht wird,

diese kann auch direkt unter dem Schraubenkopf bzw. der Schraubenmutter liegen, jedoch erhält man

damit merkwürdige Visualisierungen. Daher empfiehlt es sich, die Vorspannung in der Mitte vom

Schraubenschaft aufzubringen. Die restlichen Partitionen dienen somit nur der Vernetzung.




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18 | S e i t e

Abbildung 4: Partitionierte Bereiche der Schraube

3.2.2 Einfügen des Modells in die Baugruppe

Die Schraube, die im Part-Modul erzeugt wurde, muss nun in die Baugruppe eingefügt werden. Sie

wird konzentrisch zu den Durchgangsbohrungen positioniert und mit der Unterseite des Kopfes am

Bauteil mit einer „face to face“ Beziehung positioniert. Sollten die Flächen schief sein, weil die

Bauteile evtl. nachgeben können, so muss ein Punkt (Node) der Mutter/des Kopfes auf diese Flächen

aufliegen.

Die beiden Platten, die miteinander verschraubt werden sollen haben folgende Abmessungen:

- Platte 1: h = 100mm x b = 100mm x t = 15mm

- Platte 2: h = 100mm x b = 100mm x t = 17mm

Beide Platten haben in ihrer Mitte jeweils eine Durchgangsbohrung mit einem Durchmesser von

22mm. Diese Bohrungen wurden in der Baugruppe konzentrisch zueinander ausgerichtet und beide

Platten mit einer „face to face“ Beziehung platziert.




22. September 2010

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Abbildung 5: Isometrische transparente Ansicht der Baugruppe

In Abbildung 6 ist die Baugruppe in der YZ-Ebene dargestellt. Auf der rechten Seite befindet sich die

Stahlplatte mit einer Stärke von 17mm und auf der linken Seite die Stahlplatte mit einer Stärke von

15mm.

Abbildung 6: Ansicht der Baugruppe in der YZ-Ebene




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20 | S e i t e

3.2.3 Wahl und Zuweisung des Materials

In dieser Analyse wird für jedes Teil dasselbe Material benutzt. In diesem Fall ist das ein Stahl mit

einem Elastizitätsmodul von und einer Querkontraktionszahl von 0,3.

Die verwendete „Section“ ist aus der Kategorie „Solid“ und vom Typ „homogenous“.

Diese „Section“ wurde auf allen Regionen der einzelnen Parts angewendet.

3.2.4 Steps erzeugen

Für diese Analyse werden neben dem Initial-Step noch zwei weitere Steps benötigt. Die Schraube

wird, bevor eine Betriebslast auf das System wirkt, vorgespannt. Dies geschieht in einem Step, der

hier „Vorspann“ genannt wird.

Nachdem die Schraube fest „verschraubt“ (vorgespannt) ist, wir d eine Last in Form eines Drucks auf

das System gebracht. Dies geschieht in dem hier „Last“ genannten Step.

Beide Steps sind vom Typ „Static, General“, da hier eine einfache statische Analyse durchgeführt

wird. Aufgrund eventueller nicht-linearen Verschiebungen des Modells, wurde hier für beide Steps die

Option für nichtlineare Geometrie (NLGEOM) eingeschaltet. Aufgrund der Bandbreite an

unterschiedlichen Kontakt- und Randbedingungen und dem hier aufgebrachten Lastfall liegt in dieser

Simulation eine hochgradige Nichtlinearität vor, die in einer Analyse ohne die Option Nlgeom zu

keiner Konvergenz führen würde. Schaltet man die Option Nlgeom ein, so wählt der Solver

automatisch passende Last-Inkremente und Konvergenztoleranzen und passt diese während der

Analyse laufend an, um eine möglichst akkurate Lösung auf effizienteste Weise zu erlangen.

Abbildung 7: Step Manager




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3.2.5 Kontaktbedingungen erstellen

Im Laufe dieser Studienarbeit hat sich die Festlegung der Kontaktbedingungen als sehr kritisch

erwiesen. Die kleinsten Veränderungen der Parameter haben einen zum Teil großen Einfluss auf das

Resultat bzw. das Konvergieren der Berechnung. So führt z.B. die Diskretisierungsmethode „Node to

surface“ zu überlappenden Kontaktflächen, was einen negativen Effekt auf das Konvergieren der

Rechnung hat. Die korrekten Parameter ließen sich aufgrund mangelnder Erfahrung im Umgang mit

der Software nur mittels „Trial and Error“-Verfahren und gründlicher Recherche in professionellen

Ingenieurs-Foren finden. 7

Zunächst müssen die theoretisch vorhandenen Kontaktflächen gefunden werden. In diesem relativ

einfachen Modell sind es insgesamt maximal 4 Kontaktfälle.

3.2.5.1 Kontakt zwischen beiden Platten

Die offensichtlichsten Kontaktflächen stellen die sich berührenden Flächen der beiden Platten dar.

Diese sollen schließlich durch die Schraube reibschlüssig miteinander verbunden werden. Die

Regionen für die notwendige Interaktion sind in Abbildung 8 lila bzw. rot hervorgehoben.

Abbildung 8: Kontaktflächen beider Flachstähle

7 [WWW01] ; [WWW02] ; [WWW03]




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Kontakte dieser Art werden als „surface to surface“ Kontakte diskretisiert. Diese Methode stellt sicher,

dass keine Slave-Knoten in die Master-Oberfläche eindringen können. Die Kontakte werden zwischen

den Master- und Slave-Knoten gemittelt, womit auch realistischere Ergebnisse bei Pressverbindungen

erzielt werden.

Da davon ausgegangen wird, dass - wenn überhaupt - nur kleine Verschiebungen stattfinden, wurde

als „sliding formulation“ die Option „small sliding“ gewählt. Ginge man davon aus, dass wesentlich

größere Verschiebungen zustande kämen, bei denen sich die Platten sogar voneinander trennen

könnten, so sollte man eher auf „finite sliding“ setzen. „Small sliding“ bewirkt auch ein Reduzieren

der Berechnungsdauer. In der komplexen Baugruppe in Kapitel 5.2 verkürzte sich die

Berechnungsdauer um 2 Minuten bei einer Gesamtdauer von ca. 25 Minuten.

Da am Anfang der Simulation nicht sichtbare Überlappungen bzw. Überschneidungen der beidenPlatten vorhanden sein könnten, werden die Platten angepasst, um diese Fehler in der Geometrie zu

beseitigen. Dies wird mit der Option „adjust only to remove overclosure“ unter den Reiter „Slave

adjustment“ eingestellt.

Abbildung 9: Edit Interaction Menü




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Für diese Art der Interaktion muss noch eine Interaktionseigenschaft erstellt werden. Diese wurde hier

„HardContactPenalty“ genannt. Die beiden wichtigsten Eigenschaften sind das tangentiale Verhalten

(„Tangential Behavior“) und das Verhalten der Normalen („Normal Behavior“).

Bei dem tangentialen Verhalten kann der Reibbeiwert definiert werden. Dafür stellt man die „Friction

formulation“ auf „Penalty“ ein. Der Reibbeiwert wurde hier wie in Kapitel 2 mit 0,14 definiert.

Bei dem Verhalten der Normalen wurde als „Constraint enforcement method“ die Option „Augmented

Lagrange (Standard)“ zusammen mit der „Pressure-Overclosure“-Variante „Hard Contact“ gewählt.

Sämtliche Interaktionen wurden im „Initial“-Step erzeugt, da diese von Anfang an gegeben sein

müssen.

3.2.5.2 Kontakt zwischen Schraubenkopf und der rechten Platte und der Mutter mit der

linken Platte

Damit beide Platten reibschlüssig miteinander verbunden werden können, muss der Schraubenkopf

auch direkten Kontakt zur Fläche der rechten Platte haben. Analog dazu muss die Mutterauflagefläche

in Kontakt zur Oberfläche der linken Platte stehen.

Die betroffenen Flächen sind in den Abbildungen 11 und 12 lila bzw. rot hervorgehoben.

Hier gelten die gleichen Parameter wie in Kapitel 3.2.5.1.




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Abbildung 10: Kontakt zwischen Schraubenkopf und rechter Platte

Abbildung 11: Kontakt zwischen Mutter und linker Platte




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3.2.5.3 Kontakt zwischen Schraubenschaft und Bohrungsinnenflächen

Im Extremfall kann Kontakt zwischen dem Schaft der Schraube und den Innenwänden der

Durchgangsbohrungen entstehen. Im Idealfall werden die beiden Platten jedoch über die durch die

Vorspannung erzeugte Anpresskraft der Schraube zusammengehalten, wodurch der Kontakt zwischen

den besagten Flächen nicht zustande kommen dürfte. Da bei einem solchen Kontakt Reibung kaum

eine Rolle spielt, wurde diese Kontakteigenschaft als „Frictionless“ definiert. Eine Justierung der

Kontaktflächen soll in diesem Fall nicht stattfinden, da sich die Flächen zu Beginn der Simulation

nicht berühren sollen.

Die restlichen Einstellungen sind jedoch identisch mit denen aus Kapitel 3.2.5.1.

Die besagten Kontaktflächen sind in Abbildung 13 lila bzw. rot hervorgehoben.

Abbildung 12: Kontaktflächen des Schraubenschaftes und der Innenwände der Durchgangsbohrungen

3.2.5.4 Kontaktflächen suchen mit „Find Contact Pairs“

Abaqus/CAE bietet ein nützliches Tool, das dem Benutzer einiges an zeitraubender Arbeit abnimmt.

Zudem verkürzt es die Zeit zum Erstellen des Modells enorm. Mit dem Tool „Find Contact Pairs“

lassen sich sämtliche (potentielle) Kontaktflächen finden und definieren. Man gibt lediglich die




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Suchtoleranzen und die Suchdomäne ein und bestätigt die Suche mit einem Klick auf „Find Contact

Pairs“. Abaqus/CAE schlägt anschließend Kontaktpaarungen vor und versieht sie mit

Standardeigenschaften. Hat man z.B. die Steps als nichtlineare Geometrie definiert, so wird

automatisch „Finite Sliding“ gewählt, da bei großer Nichtlinearität häufig große Verschiebungenvorkommen. In dem aktuellen Modell ist dies jedoch nicht der Fall, daher muss diese Einstellung in

„Small Sliding“ geändert werden. Anschließend sind die Kontakteigenschaften auszuwählen und man

definiert wie die Kontaktpaare zueinander justiert werden.

Abbildung 13: Dialogfeld "Find Contact Pairs"




22. September 2010

27 | S e i t e

3.2.6 Vorspannung definieren

Abaqus/CAE stellt einen eigens für vorgespannte Schrauben vorgesehenen Lastfall bereit. Im Load-

Modul findet man diesen unter „Bolt-Load“.

Zunächst muss ein Schraubenquerschnitt, in der die Vorspannkraft aufgebracht wird, definiert werden.

Hierzu wird die durch die Partition aus Kapitel 3.2.1 erzeugte Fläche ausgewählt.

Abbildung 14: Vorspannungsfläche

Es stehen im „Edit Load“ Dialog folgende Möglichkeiten zur Verfügung, mit denen die Vorspannungder Schraube definiert werden kann.

1. Apply Force

2. Adjust Length

Wählt man „Apply Force“, so wird die gewünschte Vorspannung im Feld „Magnitude“ eingegeben.

Die Verkürzung der Schraube erfolgt auf Basis dieser Vorspannkraft.

Wählt man „Adjust Length“, muss die Längenveränderung (Verkürzung) im Eingabefeld eingegeben

werden. Aus dieser Verkürzung resultiert dann die Vorspannung.




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Abbildung 15: Bolt load Menü

Die Vorspannung muss in einem separaten Step aufgebracht werden, welcher von der Reihenfolge vor

der Lastaufbringung liegen sollte.

Wichtig bei der „Bolt load“ ist, dass im Last-Step die aus der Vorspannkraft resultierende Länge der

Schraube fixiert wird (s. Abbildung 16)

Abbildung 16: Load Manager und modifizierter Lastfall




22. September 2010

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3.2.7 Randbedingungen definieren

Damit beim Aufbringen der Vorspannkraft die Bauteile nicht auseinander fallen, müssen die Bauteile

„festgehalten“ werden. Dies erzielt man indem geeignete Randbedingungen definiert werden. Hierzuwird die fest einzuspannende Platte (die rechte Platte) an ihrer unteren Fläche mittels „Encastre“

eingespannt. Die andere Platte wird vorläufig ebenfalls per „Encastre“ eingespannt, diese

Randbedingung wird jedoch im Last-Step wieder aufgehoben.

Abbildung 17: Randbedingungen (Boundary Conditions)

Abbildung 18: Boundary Condition Manager und deaktivierte Randbedingung




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4. Alternative Modellbildung

4.1 Einleitung

Die in Kapitel 3 eingeführte Methode zur Erstellung eines Modells einer Schraubenverbindung ist

zwar sinnvoll, wenn das exakte Verhalten einer Schraube und die dadurch erzeugte Verbindung zu

untersuchen ist. Möchte man jedoch lediglich wissen, ob eine Verbindung hält, so können auch andere

Methoden verwendet werden.

Eine weitere Methode, welche sich jedoch kaum unterscheidet von der Methode aus Kapitel 3, ist das

Erzeugen einer Vorspannung innerhalb der Schraube, indem sie „abgekühlt“ wird. Durch das

Abkühlen schrumpft die Schraube und presst somit die zu verschraubenden Bauteile aneinander. Da

für dieses Modell allerdings ebenfalls eine modellierte Schraube notwendig ist, kann hier die

Rechenzeit nicht reduziert werden. Das Gegenteil wäre der Fall, da dieser Vorgang ein iterativer ist.

Der große Nachteil bei beiden Verfahren ist die große Anzahl an Freiheitsgraden, die berechnet

werden müssen, da die modellierte Schraube hinreichend fein vernetzt werden muss, um realistische

Ergebnisse zu erzielen. Ein bloßes Reduzieren der Elemente könnte u.U. das Ergebnis verfälschen.

Desweiteren sind drei zusätzliche Kontaktflächen zu definieren. Jeweils eine unter der Mutter bzw.

unter dem Schraubenkopf und eine zwischen Schraubenschaft und Bohrungswände.Kontaktberechnungen sind rechenintensiv, daher ist es vorzuziehen solche Kontaktflächen zu

vermeiden. Ziel ist es also für komplexe Baugruppen eine Methode zu finden, in der man auf eine

Modellierung der Schrauben verzichten kann.

Da eine vorgespannte Schraube nichts weiter darstellt als eine sehr steife Feder, können die

Schraubenmodelle mit sog. „Connector“-Elementen ersetzt werden.

4.2 Idealisierung einer Schraube als „Connector“-Element

Wie bereits in der Einleitung dieses Kapitels erwähnt, kann eine Schraube als Feder idealisiert werden.

Dafür können „Connector“-Elemente verwendet werden.

Im „Interaction“-Modul wird ein solches „Connector“-Element mit dem „Connector Builder“ erzeugt.

Das „Connector“-Element wird als axial definiert, d.h. es gibt nur einen Freiheitsgrad, nämlich einen

translatorischen. Das Element wird zwischen den Mittelpunkten der beiden Bohrungen aufgespannt.




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Noch ist das Verbindungselement lediglich mit zwei frei im Raum schwebenden Punkten verbunden.

Um eine realistische Verbindung zu erzeugen, müssen beide Platten ringförmig um die Bohrungen

herum partitioniert werden, und zwar mit dem Durchmesser des Schraubenkopfes bzw. der Mutter.

Anschließend werden die Ankerpunkte des Verbindungselementes durch einen sog. „CouplingConstraint“ mit der soeben erzeugten Ringfläche verbunden. Bei den Einstellungen des „Coupling

Constraint“ muss der „Coupling type“ auf „Structural distributing“ und die „Weighting method“ auf

„Linear“ umgestellt werden. Der Rest kann bei den Standard-Einstellungen belassen werden.

Dem Verbindungselement muss noch eine „Connector Section“ zugewiesen werden. Hier werden die

Eigenschaften des Verbindungselementes definiert. Unter den „Behaviour Options“ werden eine

Elastizität und eine Referenzlänge hinzugefügt werden. Es wird eine lineare Elastizität in der

Kraftrichtung F1 mit der aus Kapitel 2.2.4 errechneten Federrate der Schraube verwendet. Daher wird

für D11 der Wert 1168000 eingetragen.

Um die korrekte Referenzlänge herauszufinden bedient man sich der Gleichung

Die Gesamtlänge des Verbindungselementes geht über die Wandstärke beider Platten. Das sind 32mm. Da die Verbindung verkürzt werden muss, wird der oben berechnete Wert von der Gesamtlänge

subtrahiert. Man gibt somit bei „Length associated with U1:“ den Wert 31.92 ein.

Jetzt kann die Rechnung durchgeführt werden. Diese Rechnung dauert auf einen PC mit einem Intel

Core2Quad q6600 @ 3,0 GHz und 4 GB RAM lediglich 30 Sekunden. Verglichen mit der Rechnung

mit der „Bolt-Load“ Methode, die ca. 10 Minuten dauert, ist diese Methode 20-mal schneller.

Die Ergebnisse der Berechnung mit dieser Methode kommen nahe an die der Bolt-Load Methode

heran. Weitere Details dazu in Kapitel 5.




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5. Analyse der Berechnungen

5.1 Direkter Vergleich „Bolt-Load“-Methode und „Connector“-Methode

Abbildung 19: Vergleichsspannung nach v. Mises unter dem Schraubenkopf




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In Abbildung 20 sind auf dem linken Bild die Vergleichsspannungen nach v. Mises für das Modell

nach der „Bolt-Load“ Methode zu sehen. Die Schraube wurde ausgeblendet, um einen möglichst

präzisen Vergleich mit der anderen Methode ziehen zu können. Auf der rechten Seite ist das Modell

nach der „Connector“-Methode zu sehen. Hier wird eine Maximalspannung von circa

angezeigt. Die Skala für das andere Modell wurde dementsprechend skaliert, so dass die Bereiche, die

eine höhere Spannung als aufweisen, grau eingefärbt werden. Dies ist der Fall für minimale

Bereiche und ist somit noch im glaubwürdigen Bereich.

In Abbildung 21 ist die Anpresskraft der Platten abgebildet. Hierfür wurde eine der beiden Platten

ausgeblendet. Im „Connector“-Modell erreicht die Anpresskraft einen Spitzenwert von ca. 156,4 N.

Die Skala für das „Bolt-Load“-Modell wurde wieder diesem Wert angepasst. Hier zeichnet sich ein

etwas anderes Bild ab, allerdings kommt das Ergebnis des „Connector“-Modells dem Ergebnis des

„Bolt-Load“-Modells sehr nahe.

Abbildung 22 verdeutlicht die Verformungen an beiden Modellen. Auf beiden Seiten wurde ein

Deformations-Skalierungsfaktor von 50 angewendet, damit die Verschiebungen sichtbar werden. Hier

decken sich beide Modelle weitgehend. Es treten bei beiden Modellen kaum Verschiebungen in

Kraftrichtung auf. Somit ist die Dimensionierung der Schraube aus Kapitel 1 nachgewiesen worden.




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Abbildung 20: CPRESS in der Mittelfläche




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Abbildung 21: Verformungen an den Modellen




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5.2 Analyse eines komplexen Modells

Wie man dieser Studienarbeit entnehmen kann, ist die Berechnung einer einfachen

Schraubenverbindung mit einer Schraube und zwei Platten durchaus per Hand durchführbar, auch

wenn dieser Vorgang viel Zeit in Anspruch nimmt. Dieser Aufwand lässt sich minimieren, indem eine

Excel-Tabelle erstellt wird, in der nur noch die gegebenen Werte eingegeben werden und die

Ergebnisse automatisch kalkuliert werden.

Sind jedoch komplexere Modelle zu berechnen, in denen z.B. Querkräfte und Momenten auf die

Schrauben wirken, so wird die Berechnung per Hand sehr schnell unübersichtlich.

In diesem Kapitel wird eine Schraubenverbindung für eine automatische Laschplatform (ALP)

betrachtet. Bei dem Bauteil handelt es sich um einen I-Träger an dem eine Verbindungsvorrichtung für

eine Containerecke angebracht werden soll. Diese Verbindung muss aus montagetechnischen Gründen

lösbar sein. Der I-Träger ist an einem Rahmen befestigt, der sämtliche Teile der ALP umhüllt. Die

ALP muss häufig von sog. „Van-Carriern“ (VCs) transportiert werden. Diese VCs heben die ALP mit

einem „Spreader“ an den Containerecken, die mit den I-Trägern verschraubt werden, an. Die

Containerecken befinden sich allerdings nicht direkt über den Schrauben, wodurch die Kraft

exzentrisch zu den Schrauben angreift und somit ein Moment in den Schrauben erzeugt.

Das Modell wurde halbsymmetrisch aufgebaut. Die Bauteile werden mit 6 M20 Schrauben verbunden,

die jeweils einer Vorspannkraft von 115 kN ausgesetzt werden. Es wird davon ausgegangen, dass die

ALP insgesamt 90t wiegt. Die Last wurde dementsprechend gewählt.

An dem I-Träger wurde am oberen Ende ein Steg angeschweißt, der zur Sicherung dient (s. Abbildung

23). Die Halterung der Containerecke wird unterhalb dieses Stegs angebracht (s. Abbildung 24).

Es wurden zwei Fälle berechnet. Ein vollständig verschraubtes Modell und ein Modell mit nur einer

schwach vorgespannten Schraube (30 kN), um den Versagensfall zu simulieren.

In den Ergebnissen der Berechnung (Abbildung 25) erkennt man im linken Modell, dass der

Sicherungssteg im Vergleich zum rechten Modell gar nicht unter Spannung steht. Das bedeutet, die

Anpresskraft der Schrauben halten die Bauteile in der vorgesehenen Position.




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Abbildung 22: Halbsymmetrischer I-Träger mit Sicherungssteg

Abbildung 23: Halbsymmetrische Halterung für Containerecke mit vereinfachter Containerecke




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Abbildung 24: Vergleich mit vollständig verschraubter Baugruppe und Baugruppe mit nur einerSchraube




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6. Python Script zur Teilautomatisierung der Modellerstellung

6.1 Beschreibung des Plug-ins

Das Erstellen eines simplen Modells wie hier in Kapitel 2 dieser Studienarbeit ist nicht sehr

zeitaufwändig. In realen Fällen hat man hingegen zum Teil sehr komplexe Modelle, die sich nicht auf

ein simples Modell reduzieren lassen. Solche Modelle bestehen zum Teil aus den unterschiedlichsten

Schrauben. Nicht nur die Durchmesser und Längen der Schrauben, sondern auch die Art und Weise

wie diese verschraubt werden spielen eine Rolle. So gibt es Dehnschrauben, die unterschiedliche

Durchmesser und somit unterschiedliche Elastizitäten besitzen. Einige Schrauben werden nur Axial,

andere nur auf Querkraft und wiederum andere auf eine Kombination dieser Kräfte belastet.

Hat man ein solchen komplexen Fall vorliegen, so müsste man für jede dieser verschiedenen

Schrauben ein Teil erstellen, es in der Baugruppe positionieren, dann muss es partitioniert werden, es

muss vernetzt werden und die Vorspannkraft muss definiert werden. Das ist ein sehr langwieriger

Prozess und wäre in der Wirtschaft völlig unökonomisch.

Für solche Fälle bietet es sich an, ein kleines Plug-In mit Python zu schreiben. Und genau das habe ich

im Laufe der Studienarbeit getan. Aufgrund mangelnder Programmierkenntnisse ist das Plug-In jedoch

leider nicht vollständig und weist einige kleinere Fehler, so genannte „Bugs“, auf. Es lassen sich mit

dem Plug-In folgende Schritte automatisieren:

- Erzeugen eines Bauteils mittels einer Eingabemaske

- Partitionieren dieses Bauteils

- Erzeugen eines Materials und Querschnitte

- Zuweisung der Querschnitte auf das Bauteil

- Sinnvolles Vernetzen des Bauteils

- Erzeugen eines „Vorspann“-Steps

- Erzeugen einer Vorspannkraft

Die letzten beiden Punkte sind leider fehlerbehaftet, da diese Funktionen nur bei der ersten Schraube

funktionieren. Erzeugt man eine weitere Schraube, so wird der „Vorspann“-Step gelöscht und von

einem neuen „Vorspann“-Step ersetzt. Somit geht leider auch die erzeugte Vorspannkraft verloren.

Dieser Fehler dürfte jedoch relativ leicht zu beheben sein, wenn man ein wenig mehr Zeit für die

Bearbeitung investieren würde. Vermutlich reicht eine „IF“-Abfrage an einer geeigneten Stelle aus,

um diesen Fehler zu beheben.




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Der größte Teil des Python-Codes konnte mit der integrierten Makrofunktion von Abaqus/CAE

gewonnen werden. Hierzu wurde lediglich ein Makro aufgenommen von den einzelnen Schritten zur

Erstellung eines Bauteils. Anschließend wurde die erzeugte Makro-Datei mit einem Texteditor

geöffnet und die relevanten Code-Schnipsel kopiert und in den Quellcode des Plug-ins integriert.

Für die Erzeugung der grafischen Benutzeroberfläche (GUI) wurde das in Abaqus/CAE integrierte

Plug-In „RSG Dialog Builder“ genutzt. Der Code wurde anschließend manuell abgeändert.

Das Plug-In besteht aus 3 Dateien:

- Screw_plugin.py

o Hier wird die Klasse „screwProcedure“ und „ScrewForm“ erzeugt. Diese beiden

Klassen erzeugen die Benutzeroberfläche und die damit verknüpften Eingabefelder.

o In dieser Datei steht auch der Code-Schnipsel, der das Plug-In bei Abaqus/CAE

registriert. Das Plug-In taucht deswegen auch im Menüpunkt „Plug-ins“ auf.

- ScrewDB.py

o Hier werden die Textfelder in der Klasse „screwDB“ erzeugt. Die Eingaben, die in

diesen Textfeldern gemacht werden, werden an das Modul weitergeleitet, das die

ganzen Abaqus/CAE Befehle enthält.

- screwModule.py

o

In dieser Datei befinden sich sämtliche aus dem Makroaufnahme-Programmgewonnene Befehle, die zur Erzeugung der Schrauben dienen.

Abbildung 25: Dialogfeld vom Schrauben-Plug-In




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6.2 Installation des Plug-ins

Das Plug-in wird installiert, indem diese drei Dateien in den abaqus_plugins Ordner kopiert werden.

Anschließend öffnet man Abaqus/CAE und startet unter „File“ das sog. Python Developement

Environment „Abaqus PDE…“. Nun muss die Hauptdatei „Screw_plugin.py“ geöffnet werden. Dies

macht man unter „File“ „Select main file…“. Es öffnet sich ein Dialogfeld, in dem man die

gewünschte Datei aussuchen kann. Ist die Datei einmal offen, muss in der oberen Tool-Leiste bei

„Run in:“ der Punkt „GUI“ ausgewählt werden. Nun klickt man lediglich noch auf den Playbutton

(kleiner grüner Pfeil nach rechts ähnlich wie beim Kassettenspieler).

Das Plug-in ist nun verfügbar in Abaqus/CAE unter „Plug-ins“ „Create Screw…“




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Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Schema der hier angestrebten Verschraubung .................................................................. 9

Abbildung 2: Aus [BeGr07] - Ersatzdruckzylinder zur Berechnung […]............................................. 11

Abbildung 3: Skizze der Schraube ........................................................................................................ 17Abbildung 4: Partitionierte Bereiche der Schraube ............................................................................... 18

Abbildung 5: Isometrische transparente Ansicht der Baugruppe .......................................................... 19

Abbildung 6: Ansicht der Baugruppe in der YZ-Ebene ........................................................................ 19

Abbildung 7: Step Manager .................................................................................................................. 20

Abbildung 8: Kontaktflächen beider Flachstähle .................................................................................. 21

Abbildung 9: Edit Interaction Menü ...................................................................................................... 22

Abbildung 11: Kontakt zwischen Schraubenkopf und rechter Platte .................................................... 24

Abbildung 12: Kontakt zwischen Mutter und linker Platte ................................................................... 24

Abbildung 13: Kontaktflächen des Schraubenschaftes und der Innenwände […] ................................ 25

Abbildung 14: Dialogfeld "Find Contact Pairs" .................................................................................... 26

Abbildung 15: Vorspannungsfläche ...................................................................................................... 27

Abbildung 16: Bolt load Menü .............................................................................................................. 28

Abbildung 17: Load Manager und modifizierter Lastfall ..................................................................... 28

Abbildung 18: Randbedingungen (Boundary Conditions) .................................................................... 29

Abbildung 19: Boundary Condition Manager und deaktivierte Randbedingung .................................. 29

Abbildung 20: Vergleichsspannung nach v. Mises unter dem Schraubenkopf ..................................... 32

Abbildung 21: CPRESS in der Mittelfläche .......................................................................................... 34

Abbildung 22: Verformungen an den Modellen ................................................................................... 35

Abbildung 23: Halbsymmetrischer I-Träger mit Sicherungssteg .......................................................... 37

Abbildung 24: Halbsymmetrische Halterung für Containerecke mit vereinfachter Containerecke ...... 37

Abbildung 25: Vergleich mit völlig verschraubter Baugruppe und Baugruppe mit nur eine Schraube 38

Abbildung 26: Dialogfeld vom Schrauben-Plug-In .............................................................................. 40

http://k/STUDIENARBEIT/Studienarbeit_Shane_Lilley_Veraendert.docx%23_Toc272881348











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Literaturverzeichnis

[VDI2230] 2230, V.-R. (1986). Systematische Berechnung hochbeanspruchter

Schraubenverbindungen. Düsseldorf: VDI-Verlag GmbH.

[BeGr07] Beitz, W., & Grote, K.-H. (2007). Dubbel - Taschenbuch für den Maschinenbau - 22. Auflage. Magdeburg: Springer-Verlag.

[Böge91] Böge, A. (1991). Arbeitshilfen und Formeln für das technische Studium (4.,

überarbeitete Ausg., Bde. 2 - Konstruktionen). Branschweig ; Wiesbaden: Vieweg.

[HaBo06] Haberhauer, H., & Bodenstein, F. (2006). Maschinenelemente - Gestaltung,

Berechnung, Anwendung - 14. Auflage. Esslingen: Springer-Verlag.

[MWJV07] Mush, D., Wittel, H., Jannasch, D., & Voßiek, J. (2007). Roloff / Matek -

Maschinenelemente. Wiesbaden: Vieweg Verlag.

[WWW01] Eng-Tips. (kein Datum). Abgerufen am August 2010 von http://www.eng-tips.com/

[WWW02] CAD CAM CAE Infos Software und Forum. (kein Datum). Abgerufen am August 2010

von http://www.cad.de

[WWW03] Old Nabble - Abaqus Users Forum & mailing list archive. (kein Datum). Abgerufen

am August 2010 von http://old.nabble.com/Abaqus-Users-f14343.html




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Anhang

A. Quellcodes für das Plug-In

A.1 screw_plugin.py

from abaqusGui import *

from screwDB import screwDB

###########################################################################

# Class definition

###########################################################################

class screwProcedure(AFXProcedure):

#~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

def __init__(self, owner):

# Construct the base class.

#

AFXProcedure.__init__(self, owner)

# Command and Keywords

#

self.cmd = AFXGuiCommand(self, 'Screw', 'screwModule')

self.nameKw = AFXStringKeyword(self.cmd, 'name', TRUE)

self.screw_head_widthKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_head_width', TRUE)

self.screw_head_heightKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_head_height', TRUE)

self.screw_shaft_widthKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_shaft_width', TRUE)

self.screw_shaft_heightKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_shaft_height', TRUE)

self.screw_nut_widthKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_nut_width', TRUE)

self.screw_nut_heightKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_nut_height', TRUE)

self.boltloadKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'boltload', TRUE)




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#~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

def getFirstStep(self):

db = screwDB(self)

return AFXDialogStep(self, db)

class ScrewForm(AFXForm):

#~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

def __init__(self, owner):

# Construct the base class.

#

AFXForm.__init__(self, owner)

# Command and Keywords

#

self.cmd = AFXGuiCommand(self, 'Screw', 'screwModule')

self.nameKw = AFXStringKeyword(self.cmd, 'name', TRUE)

self.screw_head_widthKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_head_width', TRUE)

self.screw_head_heightKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_head_height', TRUE)

self.screw_shaft_widthKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_shaft_width', TRUE)

self.screw_shaft_heightKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_shaft_height', TRUE)

self.screw_nut_widthKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_nut_width', TRUE)

self.screw_nut_heightKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_nut_height', TRUE)

self.boltloadKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'boltload', TRUE)

#~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

def getFirstDialog(self):




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# Reload the dialog module so that any changes to the dialog

# are updated.

#

reload(screwDB)

return screwDB.screwDB(self)

# Register as a plugin.

#

toolset = getAFXApp().getAFXMainWindow().getPluginToolset()

toolset.registerGuiMenuButton(buttonText='Create Screw...',

object=screwProcedure(toolset),

kernelInitString='import screwModule'

)




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A.2 screwModule.py

"""

This module constructs a screw.

"""

from abaqus import *

#~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

def Screw(name, screw_head_width, screw_head_height, screw_shaft_width, screw_shaft_height,

screw_nut_width, screw_nut_height, boltload):

# Use the current model.

#

vp = session.currentViewportName

modelName = session.sessionState[vp]['modelName']

# Create the part.

#

import section

import regionToolset

import material

from part import THREE_D, DEFORMABLE_BODY

from mesh import MEDIAL_AXIS

from assembly import CARTESIAN

from load import APPLY_FORCE

s1 = mdb.models[modelName].ConstrainedSketch(name='__profile__', sheetSize=screw_head_height +

screw_shaft_height + screw_nut_height + 50)

s1.ConstructionLine(point1=(0.0, -50.0), point2=(0.0, screw_head_height + screw_shaft_height +

screw_nut_height + 50.0))

s1.Line(point1=(0.0, 0.0), point2=(0.0, screw_head_height + screw_shaft_height + screw_nut_height))




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s1.Line(point1=(0.0, screw_head_height + screw_shaft_height + screw_nut_height),

point2=(screw_head_width / 2.0, screw_head_height + screw_shaft_height + screw_nut_height))

s1.Line(point1=(screw_head_width / 2.0, screw_head_height + screw_shaft_height + screw_nut_height),

point2=(screw_head_width / 2.0, screw_shaft_height + screw_nut_height))

s1.Line(point1=(screw_head_width / 2.0, screw_shaft_height + screw_nut_height),

point2=(screw_shaft_width / 2.0, screw_shaft_height + screw_nut_height))

s1.Line(point1=(screw_shaft_width / 2.0, screw_shaft_height + screw_nut_height),

point2=(screw_shaft_width / 2.0, screw_nut_height))

s1.Line(point1=(screw_shaft_width / 2.0, screw_nut_height), point2=(screw_nut_width / 2.0,

screw_nut_height))

s1.Line(point1=(screw_nut_width / 2.0, screw_nut_height), point2=(screw_nut_width / 2.0, 0.0))

s1.Line(point1=(screw_nut_width / 2.0, 0.0), point2=(0.0, 0.0))

p = mdb.models[modelName].Part(name=name, dimensionality=THREE_D,

type=DEFORMABLE_BODY)

p.BaseSolidRevolve(sketch=s1, angle=360.0, flipRevolveDirection=OFF)

s1.unsetPrimaryObject()

del s1

#---PARTITIONS---

c = p.cells

pickedCells = c.getSequenceFromMask(mask=('[#1 ]', ), )

f = p.faces

p.PartitionCellByExtendFace(extendFace=f[2], cells=pickedCells)

pickedCells1 = c.getSequenceFromMask(mask=('[#2 ]', ), )

f1 = p.faces

p.PartitionCellByExtendFace(extendFace=f1[5], cells=pickedCells1)

#---MESH---

p.seedPart(size=0.05 * screw_shaft_height, deviationFactor=0.1)

pickedRegions = c.getSequenceFromMask(mask=('[#7 ]', ), )

p.setMeshControls(regions=pickedRegions, algorithm=MEDIAL_AXIS)

p.generateMesh()

#---ASSEMBLY---

a = mdb.models[modelName].rootAssembly




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a.DatumCsysByDefault(CARTESIAN)

a.Instance(name=name + str(1), part=p, dependent=ON, autoOffset=ON)

#---MATERIALS---

mdb.models[modelName].Material(name='Steel')

mats = mdb.models[modelName].materials['Steel']

mats.Elastic(table=((210000.0, 0.3),))

mats.Density(table=((7.85e-06, ),))

mdb.models[modelName].HomogeneousSolidSection(name=name + '_Section', material='Steel',

thickness=None)

p1 = mdb.models[modelName].parts[name]

c1 = p1.cells

cells = c.getSequenceFromMask(mask=('[#7 ]', ), )

region = regionToolset.Region(cells=cells)

p1.SectionAssignment(region=region, sectionName=name + '_Section')

#---STEP CREATION AND BOLT LOAD---

mdb.models[modelName].StaticStep(name='Pretension', previous='Initial', initialInc=0.1,

nlgeom=ON)

s1 = a.instances[name + str(1)].faces

side1Faces1 = s1.getSequenceFromMask(mask=('[#2 ]', ), )

region = regionToolset.Region(side1Faces=side1Faces1)

datumAxis = mdb.models[modelName].rootAssembly.instances[name + str(1)].datums[1]

mdb.models[modelName].BoltLoad(name=name + '_BoltLoad', createStepName='Pretension',

region=region, magnitude=boltload, boltMethod=APPLY_FORCE, datumAxis=datumAxis)




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A.3 screwDB.py

from abaqusGui import *

###########################################################################

# Class definition

###########################################################################

class screwDB(AFXDataDialog):

#----------------------------------------------------------------------

def __init__(self, form):

AFXDataDialog.__init__(self, form, 'Create Screw',

self.OK|self.CANCEL, DIALOG_ACTIONS_SEPARATOR)

va = AFXVerticalAligner(self)

AFXTextField(va, 20, 'Name of the screw:', form.nameKw, 0)

AFXTextField(va, 10, 'Diameter of the head:', form.screw_head_widthKw, 0)

AFXTextField(va, 10, 'Height of the Head:', form.screw_head_heightKw, 0)

AFXTextField(va, 10, 'Diameter of the shaft:', form.screw_shaft_widthKw, 0)

AFXTextField(va, 10, 'Height of the shaft:', form.screw_shaft_heightKw, 0)

AFXTextField(va, 10, 'Diameter of the nut:', form.screw_nut_widthKw, 0)

AFXTextField(va, 10, 'height of the nut:', form.screw_nut_heightKw, 0)

AFXTextField(va, 10, 'Bolt load force:', form.boltloadKw, 0)

Studienarbeit Shane Lilley FINAL

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Transcript of Studienarbeit Shane Lilley FINAL