©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