Modelowanie połączeń śrubowych zgodnie z VDI 2230

1. Jak działa Bolt Assessment Inside ANSYS?
2. Modelowanie śrub.
3. Narzędzia dostępne w Bolt Assessment Inside ANSYS
4. Wyniki symulacji

W ostatnim czasie pojawił się nowy dodatek ACT – Bolt Assessment Inside Ansys powalające na modelowanie połączeń śrubowych zgodnie z normą VDI 2230. Rozszerzenie te zostało napisane przez firmę Cadfem i umożliwia ono automatyczną ocenę śrub na podstawie normy VDI 2230.

Często do oceny śrub używa się specjalistycznego oprogramowania analitycznego i ze względu na złożoność rozpatrywanego problemu, niektóre ważne parametry wejściowe są trudne do oceny. W takim wypadku użytkownicy przyjmują dodatkowe założenia lub uproszczenia, co prowadzi często do błędnych wyników, które mogą mieć fatalny wpływ na konstrukcję. Powoduje to częste wykorzystanie MESu, aby dokładniej zamodelować dane połączenie śrubowe oraz odwzorować dany problem. Wykorzystanie programu ANSYS do obliczeń połączeń śrubowych w połączeniu z metodologią normy VDI 2230 jest niezawodnym sposobem na poradzenie sobie z wadami podejścia analitycznego, jak i również z trudnościami w interpretacji wyników (Peak stress). Prowadzi do uzyskania dokładniejszej oceny połączenia śrubowego. Niestety podejście te wymaga bardzo dobrej znajomości normy VDI 2230. Dodatkowo przy braku zrozumienia normy, można uzyskać nieprawdziwą ocenę śrub. Z tego powodu narzędzie ACT – Bolt Assessment Inside Ansys może być naprawdę przydatnym narzędziem do prostej i szybkiej oceny śrub.

Jak działa Bolt Assessment Inside ANSYS?

Dodatek ACT przeprowadza automatyczną ocenę śrub w oparciu o wytyczne z normy VDI 2230 dla wszystkich wybranych śrub w konstrukcji. Moduł w obecnej wersji współpracuje ze śrubami zamodelowanymi jako bryły 3D oraz belki 1D, odpowiadające modelowi III i II klasy, opisane w normie VDI 2230 Part II. Podczas rozwiązywania zagadnienia, wyniki symulacji MES i parametry wejściowe zdefiniowane w dodatku ACT są przekazywane do zewnętrznego solvera opracowanego przez firmę KISSsoft, który oblicza współczynniki bezpieczeństwa niezbędne do oceny śrub. Te współczynniki są bezpośrednio wyświetlane w ANSYS Mechanical, co pozwala użytkownikowi szybko zidentyfikować krytyczne śruby. Ponadto można wygenerować raporty obliczeniowe dla każdej analizowanej śruby.

Dodatek ACT to wstążka, która dodana jest w ANSYS Mechanical. Wstążka składa się z 12 narzędzi Rysunek 1.

Wstążka umożliwia wprowadzenie wstępnego napięcia oraz dokładnych parametrów dla śrub II i III klasy – Beam Bolt Load i Solid Bolt Load. Kolejna opcja dotyczy wyświetlania wyników dla śrub II i III klasy – Beam Result i Solid Result. W wstążce znajdziemy też opcję Find, która służy do wyświetlania raportów dla danej śruby oraz opcję Activate/Deactiwy służącą do wyświetlania płaszczyzny przekroju śruby (miejsce przyłożenia wstępnego napięcia). ACT umożliwia również importowanie i eksportowanie zestawu danych z/do wybranego obiektu śruby oraz tworzenie ciał typu linia. W wstążce znajdziemy też informację o aktywności licencji, a w narzędziu Information znajdziemy wiele przydatnych przykładów oraz dokumentację do ACT.

Modelowanie śrub zgodnie z normą VDI 2230

Ważnym aspektem analizowania śrub zgodnie z normą VDI 2230 przy wykorzystaniu ACT jest prawidłowe zamodelowanie śrub. Norma VDI 2230 Part II dokładnie określa sposoby modelowania. W przypadku belek ACT zaleca nam modelować belki o uśrednionym przekroju wzdłuż całej śruby lub modelować belki o różnych przekrojach wzdłuż śruby Rysunek 2.

W przypadku śrub modelowanych jako bryła każda z śrub musi się składać tylko z jednej bryły. Zaleca się modelować łeb śruby jako cylinder, gwint należy pominąć. Zaleca się modelować górną część śruby średnicą nominalną d (trzpień śruby), natomiast dolna część śruby odpowiadając części gwintowanej modelować średnicą d₃ Rysunek 3.

Narzędzia dostępne w Bolt Assessment Inside ANSYS

Po prawidłowym zamodelowaniu śrub można zaimplementować warunek Bolt Load Rysunek 4.

Okno Bolt Load składa się z 9 zakładek. W zakładce Bolt Selection implementujemy daną rozpatrywaną śrubę. Należy pamiętać o poprawnym wyborze powierzchni górnej i dolnej Rysunek 5.

W kolejne zakładce Interface mamy możliwość włączenia lub wyłączenia oszacowania współczynnika bezpieczeństwa przed poślizgiem. W przypadku włączenia tego współczynnika należy ustawić liczbę interfejsów, współczynnik tarcia oraz Pinball Parameter, który określa węzły z kontaktu, które są używane do oceny współczynnika bezpieczeństwa przed poślizgiem.

W zakładce Pretension and Embedding można wprowadzić wartość wstępnego napięcia lub wartość momentu dokręcenia śruby. Dodatkowo użytkownik ma możliwość uwzględnienia strat napięcia wstępnego lub strat momentu dokręcenia wynikającego z chropowatości powierzchni w połączeniu śrubowym zgodnie z normą VDI 2230. W przypadku wyboru momentu dokręcenia śruby użytkownik może ustawić również współczynnik niepewności montażu, który uwzględnia rozrzut osiągalnego napięcia wstępnego montażu między minimalnym i maksymalnym napięciem wstępnym. Następnie opcja MIN i MAX umożliwia uruchomienie symulacji przy użyciu maksymalnej lub minimalnej siły obciążenia wstępnego Rysunek 6. Wstępne napięcie w ANSYS zawsze jest implementowane za pomocą siły. Dlatego moment dokręcania należy wewnętrznie przekształcić w siłę obciążenia wstępnego – przeliczenie dokonuje się automatycznie.

Kolejne zakładki Bolt Data, Type of Bolting, Washer oraz Bore Definition pozwalają na zdefiniowanie dokładnych parametrów połączenia śrubowego. W Bolt Data ustawiamy rodzaj śruby, mamy możliwość wybrania śruby z danej normy lub wstawić swoje własne parametry geometryczne śruby. W kolejnych komórkach wstawiamy informację o klasie wytrzymałości oraz informację o sposobie wykonania gwintu, który wpływa na obliczenie współczynnika bezpieczeństwa przed zniszczeniem zmęczeniowym – Final Heat Treated lub Final Rolled. W Type of Bolting określamy czy używana jest nakrętka, czy otwór nieprzelotowy. W przypadku wybrania nakrętki możemy dobrać jej standard na podstawie dostępnych norm. Parametr ten jest ważny do określenia obszaru styku podczas oceny nacisku powierzchniowego. W zakładce Washer mamy możliwość doboru podkładki na podstawie dostępnych norm lub możemy określić samemu jej parametry geometryczne. Podkładkę definiujemy pod łeb śruby lub pod nakrętkę. Dodatkowo należy określić Moduł Younga podkładki oraz dopuszczalne ciśnienie powierzchniowe między podkładką, a komponentem. W kolejnej zakładce Bore Definition należy określić średnicę otworu oraz wartość fazowania na łbie śruby oraz nakrętki. Parametry te pozwalają na dokładne określnie powierzchni styku, która jest istotna do oceny nacisków powierzchniowych.

W zakładce Basic Data należy określić następujące parametry:

• Tarcie w gwincie;
• Tarcie między łbem śruby, a komponentem;
• Tarcie między nakrętką, a komponentem ;
• Dopuszczalne ciśnienie powierzchniowe między łbem, komponentem ;
• Dopuszczalne ciśnienie powierzchniowe między nakrętką, a komponentem;
• Liczba cykli obciążenia dla granicy zmęczenia (N > 2 * 10e6) ;
• Jednostki raportu: metryczne / amerykańskie;
• Współczynnik redukcji: Współczynnik ten określa wielkość naprężenia skręcającego, które jest brane pod uwagę przy obliczaniu naprężenia roboczego. Jego wartość powinna zawierać się w przedziale od 0 do 1. Domyślnie ustawiona jest wartość 0,5;
• Obliczanie SF z M_SA: wybranie, czy dodatkowy moment zginający 𝑀_𝑆𝐴 ma być brany pod uwagę przy obliczaniu współczynnika bezpieczeństwa 𝑆𝐹.

Jeśli warunek Load Bolt został poprawnie zdefiniowany należy uzyskać parametry śruby z solvera KISSsoft poprzez kliknięcie PPM na warunek i wybranie opcji „Get Data used by KISSsoft”. Dane te posłużą do wyznaczenia oceny śrub.

Na podstawie analizy MES wyznaczane są siły i momenty działające w połączeniu śrubowym. Następnie wyniki te oraz zdefiniowane wcześniej parametry są przenoszone do zewnętrznego solvera, który oblicza współczynniki bezpieczeństwa:

SF – Safety factor against yield point Rysunek 7;
SD – Safety factor against fatigue Rysunek 8;
SP – Safety factor against pressure Rysunek 9;
SGstd – Safety factor against sliding Rysunek 10;
SGwt – Safety factor against sliding without torsion Rysunek 11.

Współczynniki te są bezpośrednio wyświetlane w ANSYS Mechanical, co pozwala użytkownikowi szybko zidentyfikować krytyczne śruby.

Istnieje również możliwość wyświetlenia sił i momentów działających w połączeniu śrubowym tj. Normal Force, Shear Force oraz Torsional Moment.

Ponadto generowane są raporty obliczeniowe dla każdej z śrub, które mogą zostać otwarte bezpośrednio w ANSYS Mechanical. Raport może być generowany w systemie metrycznym lub imperialny.

Wyniki symulacji

Modelowanie zgodnie z VDI 2230 zakończone – czas na wyniki.

Jak widać modelowanie śrub zgodnie z normą VDI 2230 jak i postprocessing nie jest bardzo skomplikowane. Dużo trudniejsze jest rozumienie samej normy dlatego też prowadzimy kurs Modelowanie Połączeń Śrubowych Zgodnie z VDI 2230.

Autor: Marek Zaremba, MESco sp. z o.o.