Analiza i modelowanie połączeń śrubowych na platformie 3DEXPERIENCE

Połączenia śrubowe stanowią powszechnie stosowaną metodę łączenia elementów w różnych gałęziach przemysłu. Dokładna analiza tych połączeń jest kluczowa dla zapewnienia ich niezawodności oraz optymalizacji kosztów produkcji. Istnieje wiele metod analizy połączeń śrubowych, a ich wybór zależy od wymagań dotyczących dokładności obliczeń oraz dostępnych zasobów obliczeniowych. Niniejszy artykuł przedstawia różne podejścia do modelowania połączeń śrubowych, w tym analizę belkową (beam) oraz analizę bryłową (solid), omawia zalety i wady obu metod, a także wpływ obciążenia wstępnego na wyniki analizy.

Wprowadzenie

Połączenia śrubowe są kluczowym elementem w inżynierii mechanicznej i budownictwie, ponieważ pozwalają na trwałe lub demontowalne łączenie elementów konstrukcyjnych. W praktyce, połączenia te narażone są na różne rodzaje obciążeń, takie jak siły ścinające, zginające, rozciągające i skręcające. Zrozumienie, jak te obciążenia wpływają na połączenia śrubowe, jest istotne dla zapewnienia stabilności konstrukcji oraz jej wydajności.

Metody analizy połączeń śrubowych

Analiza belkowa (beam)

Analiza belkowa jest jedną z metod modelowania połączeń śrubowych. W tej metodzie śruba traktowana jest jako element liniowy typu beam, co oznacza, że zachowanie śruby jest reprezentowane w sposób uproszczony, bez uwzględniania szczegółowej geometrii. Ta metoda jest efektywna, szczególnie w przypadku złożonych konstrukcji, gdzie połączeń jest dużo.

Zalety analizy belkowej

Minimalny nakład pracy w fazie pre-processingu,

Możliwość modelowania dużej liczby śrub w złożonych konstrukcjach,

Szybszy czas symulacji w porównaniu do bardziej szczegółowych metod.

Analiza bryłowa (solid)

2.2 Analiza bryłowa (solid)
W analizie bryłowej śruba oraz jej elementy są dokładnie odwzorowane w 3D. Metoda ta pozwala na precyzyjne odwzorowanie geometrii połączeń śrubowych oraz interakcji między powierzchniami styku. Dzięki temu uzyskujemy dokładniejsze wyniki dotyczące naprężeń w otoczeniu otworów śrubowych.

Zalety analizy bryłowej:

Wyższa dokładność analizy naprężeń w krytycznych obszarach konstrukcji,

Lepsza reprezentacja kontaktu między elementami,

Większa zgodność wyników z rzeczywistymi warunkami pracy konstrukcji.

Wady analizy bryłowej

Większy nakład obliczeniowy,

Dłuższy czas analizy w porównaniu do metod uproszczonych.

Wpływ obciążenia wstępnego na wyniki analizy

Obciążenie wstępne jest kluczowym czynnikiem, który wpływa na wytrzymałość i sztywność połączeń śrubowych. Analiza z uwzględnieniem wstępnego naprężenia pozwala na dokładniejsze odwzorowanie rzeczywistych warunków pracy konstrukcji, ponieważ uwzględnia wpływ wstępnie nałożonego napięcia na śrubę, które może zmieniać sposób jej reakcji na dalsze obciążenia.

Analiza i modelowanie połączeń śrubowych w 3DEXPERIENCE

W tym artykule szczegółowo przedstawimy analizę obciążeń rozciągających w konstrukcjach połączeń śrubowych z wstępnym naprężeniem, wykonanych przy pomocy platformy 3DEXPERIENCE. Modelowanie to zostało opracowane w celu zrozumienia wpływu połączeń śrubowych na całą strukturę oraz prawidłowego zastosowania wstępnego naprężenia. Model struktury składa się z kilku kluczowych elementów: kołnierzy górnego i dolnego, uszczelki, oraz śruby z nakrętką.

Rys. 1 Złożenie śrubowe

Wirtualna śruba w platformie 3DEXPERIENCE

Wirtualna śruba jest abstrakcyjną reprezentacją rzeczywistej śruby. Ta funkcjonalność nie tworzy pełnej geometrii śruby, przez co nie jest możliwe nałożenie obciążenia bocznego lub zdalnego momentu obrotowego. Jednak umożliwia to uproszczenie modelowania w przypadku bardziej złożonych konstrukcji.

Dostępne opcje dla wstępnego obciążenia:

Bolt Force: Określa obciążenie wstępne poprzez wprowadzenie siły osiowej w śrubie. Siła ta generuje napięcie, które działa na głowicę śruby i nakrętkę.

Bolt Torque: Określa obciążenie poprzez przyłożenie momentu obrotowego na śrubę i uwzględnienie współczynnika momentu obrotowego.

Po zidentyfikowaniu krawędzi otworu, oprogramowanie automatycznie generuje wizualną reprezentację śruby, precyzyjnie wskazując także lokalizację nakrętki. Dzięki temu użytkownik uzyskuje pełny obraz układu złącza, co pozwala na łatwą weryfikację poprawności jego parametrów. Poniżej przedstawiono graficzną ilustrację, na której zaprezentowano zarówno wirtualny model śruby, jak i jej rzeczywistą formę, uwzględniając wszystkie szczegóły konstrukcyjne:

Rys. 2 Wirtualna śruba, konstrukcja elementy Beam

Rys. 3 Geometria standardowej śruby z nakrętką, konstrukcja: elementy Solid
Po zapoznaniu się z wizualnymi różnicami między wirtualnymi a rzeczywistymi śrubami, warto przyjrzeć się różnicom w ich definicji. Proces definiowania wirtualnej śruby rozpoczynamy w module Structural Model Creation, w zakładce Connections, a następnie przechodzimy do opcji Virtual Bolt. W tym etapie kluczowe są dwie funkcjonalności: Bolt Replication i Virtual Bolt Detection.

Bolt Replication umożliwia automatyczne kopiowanie definicji śruby do innych lokalizacji, gdzie łączą się te same części i przechodzą przez otwory o identycznych wymiarach, co pierwotna śruba, co zwiększa efektywność modelowania.

Virtual Bolt Detection pozwala na automatyczne wykrywanie potencjalnych miejsc dla śruby na podstawie kryteriów, takich jak wymiary otworów czy geometria elementów. To narzędzie jest szczególnie przydatne w bardziej złożonych analizach, przyspieszając proces projektowania i weryfikacji konstrukcji.

Rys. 4 Pasek narzędzi, wybór Virtual Bolt
W operacji związanej z Virtual Bolt, po wskazaniu krawędzi otworu, program automatycznie odczytuje wartości z geometrii, prezentując je w formie wyszarzonych pól. Aby uzyskać jak najbardziej precyzyjne odwzorowanie rzeczywistej śruby, należy ręcznie dostosować te wartości, uwzględniając rzeczywiste parametry śruby. Ponadto, jednym z kluczowych kroków jest wybór odpowiedniego sposobu zachowania śruby, który może być ustawiony jako Beam spośród dostępnych opcji: Rigid, Deformable oraz Beam. Każda z tych opcji ma swoje specyficzne zastosowanie, w zależności od wymaganej precyzji analizy.

Kolejnym istotnym krokiem w konfiguracji śruby wirtualnej jest wybór odpowiedniego typu połączenia. Z rozwijanego menu zaawansowanych funkcji należy wybrać opcję Coupling: Distributing. Ta opcja pozwala na dokładniejsze odwzorowanie rozkładu sił w obrębie połączenia, co jest szczególnie ważne w przypadku analiz, które uwzględniają rozpraszanie obciążeń na większą powierzchnię, zapewniając w ten sposób bardziej realistyczne wyniki analizy strukturalnej.

Rys. 5 Virtual Bolt – wybór opcji
Kolejnym krokiem w procesie definiowania śruby wirtualnej jest wybór opcji Bolt Replication, która umożliwia skopiowanie wcześniej zdefiniowanej śruby do nowych lokalizacji w obrębie części, gdzie otwory mają identyczne wymiary jak w oryginalnej lokalizacji. Dzięki tej funkcji, użytkownik może w łatwy sposób odwzorować śrubę w innych miejscach modelu, bez konieczności ponownego definiowania jej parametrów. Po zakończeniu tego etapu definicja śruby wirtualnej zostaje zakończona, a model jest gotowy do dalszej analizy strukturalnej lub symulacji.

Rys. 6 Bolt Replication

Modelowanie rzeczywistej śruby

Pierwszym krokiem w modelowaniu rzeczywistej śruby jest przejście do zakładki Properties w aplikacji Structural Model Creation. Następnie, przy użyciu funkcji Solid Section, przypisujemy odpowiednie właściwości materiałowe śruby. Ten etap jest kluczowy, ponieważ uwzględnia fizyczne właściwości materiału, takie jak wytrzymałość czy elastyczność, które mają istotny wpływ na wyniki analizy.

Kolejnym krokiem jest użycie funkcji Meshed Bolt Section w tej samej zakładce, aby zdefiniować płaszczyznę, na której będą przykładane ograniczenia, obciążenia i przemieszczenia śruby. Dzięki temu możliwe jest precyzyjne odwzorowanie interakcji między elementami konstrukcji, co pozwala na realistyczną analizę zachowania śruby w rzeczywistej konstrukcji.

Rys. 7 Mesh Bolt
Za pomocą funkcji Coupling łączymy powierzchnię czołową łba śruby z punktem utworzonym na jego środku, wybierając typ Distributing. Pozwala to na równomierne rozłożenie obciążeń na powierzchni łba śruby. Dodatkowo, należy zablokować rotację w kierunku Ry, co zapewnia stabilność połączenia i uniemożliwia obrót śruby w tym kierunku.

Rys. 8 Coupling
Kolejnym krokiem jest zdefiniowanie więzów Tie pomiędzy nakrętką a śrubą. W celu uproszczenia tego procesu, można skorzystać z funkcji Tie Detection, która automatycznie wykrywa odpowiednie miejsca do zastosowania więzów, przyspieszając tym samym cały proces modelowania.

Rys. 9 Definicja więzów Tie przy użyciu funkcji Tie Detection
Po zaakceptowaniu wykrytych połączeń Tie, definicja śruby jest zakończona, a model znajduje się w tym samym etapie, co przy definiowaniu Virtual Bolt.

W aplikacji Mechanical Scenario Creation, po wybraniu odpowiedniej procedury (np. Analiza statyczna), przechodzimy do zakładki Loads. Następnie, klikając w kafelek Bolt Force, wprowadzamy wartość obciążenia, np. 200 lbf, z jaką śruba ma być obciążona. Program automatycznie uwzględnia wcześniej ustawione jednostki, co pozwala na bezproblemowe dostosowanie analizy do wymaganych parametrów.

Rys. 10 Bolt Force
W zakresie właściwości kontaktowych, zdefiniowałem kontakt beztarciowy, uwzględniając niewielkie przesunięcia między powierzchniami.

W odniesieniu do warunków brzegowych, uwzględniłem symetryczność części na jej bokach, a od podstawy zablokowałem ruch w osi pionowej.

Rys. 11 Warunki brzegowe dla analizy Bolt i Virtual Bolt

Porównanie wyników analizy

Na podstawie przeprowadzonych symulacji, wyniki analizy wykazują następujące różnice między oboma metodami modelowania:

Model z połączeniem beam wykazuje o 2,18% wyższe naprężenia Von Misesa w porównaniu do modelu rzeczywistej śruby. Obciążenie wstępne prowadzi do wyższych naprężeń w okolicach otworów śrubowych.

Różnica w rozkładzie naprężeń oraz ciśnienia kontaktowego na uszczelce między obydwoma modelami wynosi poniżej 1,5%, co sugeruje, że dla niektórych aplikacji uproszczenie modelu do analizy belkowej jest wystarczające.

Rys. 12 Porównanie rozkładu ciśnienia kontaktowego na uszczelce

Rys. 13Porównanie rozkładu naprężeń dla modelu Beam oraz Solid

Wnioski

Na podstawie przeprowadzonej analizy można wyciągnąć następujące wnioski:

Wybór metody analizy połączeń śrubowych powinien zależeć od wymaganej dokładności obliczeń oraz dostępnych zasobów obliczeniowych. Metoda beam jest zalecana w przypadku dużej liczby połączeń, gdzie istotne jest szybkie uzyskanie wyników.

Metoda solid pozwala na bardziej precyzyjne odwzorowanie naprężeń w okolicach połączeń śrubowych, ale wiąże się z większym nakładem pracy oraz dłuższym czasem analizy.

Obciążenie wstępne jest kluczowe dla realistycznej oceny wytrzymałości połączeń, szczególnie w analizach wymagających wysokiej dokładności.

Post: Analiza i modelowanie połączeń śrubowych na platformie 3DEXPERIENCE