MDESIGN multibolt
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MDESIGN multibolt
Gesellschaft für technische Informationssysteme mbH Königsallee 45, 44789 Bochum Telefon +49 234 30703-0, [email protected] www.tedata.com, www.mdesign.info Software zur Berechnung von Mehrschraubenverbindungen nach VDI 2230 Blatt 1 und Blatt 2 Schraubenverbindungen verlangen nach sicheren Berechnungswerkzeugen Lösbare Verbindungen zählen zu den wichtigen und oft kritischen Konstruktionselementen im Maschinenbau, insbesondere die Schraubenverbindungen. Sie sind nicht nur besonders weit verbreitet, sondern in vielerlei Hinsicht auch hoch beansprucht und verlangen deshalb nach besonders leistungsfähigen Analyse- und Dimensionierungswerkzeugen. Der Verein Deutscher Ingenieure hat in seiner Normungsarbeit mit der VDI-Richtlinie 2230 eine Berechnungsmethodik entwickelt, die das Verhalten einzelner Schrauben sowohl unter Montagebedingungen wie unter betrieblich verursachten Belastungen genau beschreibt. Auf dieser Basis berechnen viele tausend Konstrukteure mit MDESIGN bolt bereits seit zwei Jahrzehnten zuverlässig ihre Einzelschraubenverbindungen. Nun sind Verbindungselemente aber in der Regel Elemente eines Systems. Zwar greift man auch beim Einsatz mehrerer Schrauben auf die VDI 2230 Blatt 1 zurück, jedoch müssen dabei zunächst einmal die Einzelbelastungen ermittelt werden, da die Belastungen in der Regel nur in ihrer Summe bekannt sind. MDESIGN multibolt erweitert die bewährte VDI 2230 auf Mehrschraubenverbindungen Mit PC Bolt hatte TEDATA bereits Ende der 90er Jahre eine auf Beitz/Grote zurückgehende Software der TU Berlin übernommen, die alle an einer Verbindung angreifenden Belastungen den beteiligten Einzelschrauben zuordnet. Entgegen den dabei verwendeten empirisch ermittelten Gesetzmäßigkeiten hat sich in der Praxis zur Herleitung der Schraubeneinzelbelastungen allerdings die Methode der Finiten Elemente durchgesetzt. Weil die damit verbundene Modellierung und Berechnung aber für jeden Anwendungsfall gesondert erfolgen muss, verursacht diese Vorgehensweise einen hohen Aufwand. MDESIGN multibolt standardisiert nun erstmals die aufwendigen Finite Elemente Analysen und verknüpft sie für zahlreiche Standardfälle mit den bewährten analytischen Berechnungsmethoden der VDI 2230 zu problemorientierten Lösungsansätzen. Auf diese Weise erhält der Konstrukteur schon in der Entwurfsphase innerhalb weniger Minuten wertvolle Auslegungsdaten, für die man bisher Stunden oder Tage benötigte. Mit der Methode der Finiten Elemente die Einzelbelastungen berechnen Bekanntlich orientieren sich Konstrukteure bei der anforderungsgerechten Dimensionierung lösbarer und nicht lösbarer Komponenten an Berechnungsverfahren, die eine Beziehung zwischen den Werkstoffeigenschaften, den Bauteilabmessungen und den zu erwartenden Belastungen herstellen. Allerdings haben solche standardisierten Berechnungen dort ihre Grenzen, wo sich neben den Abmessungen auch Form und Einbausituation ändern. Denn die Gesetzmäßigkeiten zwischen Geometrie, Materialverhalten und Beanspruchung sind hier mit Hilfe empirisch ermittelter Zusammenhänge nur noch in Ausnahmefällen darstellbar. MDESIGN multibolt stellt deshalb Berechnungsmodelle bereit, die auf der Methode der Finiten Elemente beruhen und neben den Dimensions- auch Gestalt- und Belastungsvarianten einschließen. Hierbei wird die Komplexität der zu betrachtenden Bauelemente und Baugruppen nicht reduziert, sondern durch eine detaillierte Transformation der Bauteilgeometrie in ein Netz von Balken bzw. Stabwerken ersetzt. Diese Substitution des Kontinuums durch endliche Elemente macht jeden Ort im Bauteil einer Verformungs- und Spannungsanalyse zugänglich. MDESIGN multibolt ist reproduzierbar und über Objektgrenzen hinweg konsistent Zur Lösung wiederkehrender und komplexer Aufgaben wurden mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente schon mehrfach automatisierte Prozessketten entwickelt. Auf diesen Erfahrungen baut MDESIGN multibolt auf. MDESIGN koordiniert den Ablauf einer FEM Analyse von der Geometrieberechnung und der Erzeugung der Elemente, Netze und Kontaktflächen über die Durchführung der numerischen Berechnung bis hin zur Darstellung und Analyse der Ergebnisse. Parametrisierte und featurebasierte Finite Objekte, die speziell für jede Anwendungsart entwickelt werden, bilden die Basis für die anschließende, automatisierte Modellbildung. Die dabei entstehenden Netze sind reproduzierbar, vorab verifiziert und über Objektgrenzen hinweg konsistent. Sie verfügen damit über den Vorzug jederzeitiger Nachprüfbarkeit und die Voraussetzung behördlicher Zertifizierung. MDESIGN liefert konkrete Berechnungsansätze für die VDI 2230 Die Finite Elemente Methode in standardisierte und für die Normung und Zertifizierung reproduzierbare Konstruktionswerkzeuge zu integrieren, geht über die heute praktizierte individuell geprägte Nutzung dieser Technologie weit hinaus. Dieser Ansatz unterstützt die Auffassung des Verein Deutscher Ingenieure, der in einem Gründruck der Richtlinie 2230 Blatt 2 deutlich macht, dass die Auslegung von Mehrschraubenverbindungen die Finite Elemente Methode einbeziehen sollte. Gleichzeitig fordert die Richtlinie, ihre Verwendung einem klar strukturierten Prozess zu unterwerfen. Solche Prozesse werden in der neuen Richtlinie zum Einsatz der Finite Elemente Methode bei der Berechnung von Mehrschraubenverbindungen in vier Detaillierungsgraden vorgeschlagen. MDESIGN multibolt greift diese Vorschläge auf und stellt für die wichtigsten Verbindungskonfigurationen praktische Lösungen bereit. Nicht nur am Beispiel der Berechnung von Mehrschraubenverbindungen zeigt sich deutlich, dass die traditionellen analytischen Verfahren ohne die flankierende Hilfe der Numerik nicht mehr auskommen werden. Andererseits kann man aber auch auf analytische und empirisch abgesicherte Verfahren weder in der Produktkonzeption noch bei der Verifikation verzichten. Mit den neuen Funktionen wird nun der Schritt hin zu einer Methodik vollzogen, die numerische wie analytische Berechnungen unter einer gemeinsamen Benutzeroberfläche medienbruchfrei zusammenführt. Die Verbindungsvarianten und Beanspruchungsarten MDESIGN multibolt berechnet Außen- und Innenflansche, starre Kupplungen sowie verschraubte kreisförmige Deckel und Böden. Miteinander verbundene Balken, Platten und eckige Flansche werden das Berechnungsangebot in Kürze vervollständigen. In der jetzt vorliegenden Version für rotationssymmetrische Verbindungen können bis zu 256 Bohrungen vorgesehen werden. Für den schnellen Einstieg gibt es in jedem Modul Berechnungsbeispiele, die schnell an eine gewünschte Geometrie oder Belastung angepasst werden können. Maßtabellen der wichtigen Kopf- und Stiftschrauben, Muttern und Scheiben sowie der Zugriff auf die Werkstoff-Datenbank von MDESIGN erleichtern die Eingabe. Nicht genormte Schrauben können über ein dafür vorgesehenes Eingabemenü definiert werden. Grundsätzlich wird bei allen Verbindungen die Parallelität der Schraubenachsen im unbelasteten Zustand vorausgesetzt. Die Schraubenachsen müssen senkrecht zu den Trennfugen angeordnet sein. Plastische Verformungen werden im mikrogeometrischen Bereich in Form der Setzkraftverluste berücksichtigt und im makrogeometrischen Raum ausgeschlossen. Es wird eine Isotropie der Werkstoffe vorausgesetzt und von einer idealen Makrogeometrie ausgegangen. MDESIGN multibolt unterstützt folgende Verbindungsarten Geometrie Schrauben- Betriebslasten anzahl Berechnungsarten Ergebnisse Innenflansche (allgemein) beliebig Innendruck, Axial- und Radialkräfte, Vorspannung, Rohrmomente, Rohrzugkräfte, Temperatur Nachrechnung (Grundlage: VDI 2230 Blatt 2) Schraubenkräfte und Momente Außenflansche (allgemein) beliebig Innendruck, Axial- und Radialkräfte, Vorspannung, Rohrmomente, Rohrzugkräfte, Temperatur Nachrechnung (Grundlage: VDI 2230 Blatt 2) Schraubenkräfte und Momente Außenflansch/ Blindflansch bzw. Fundament beliebig Innendruck, Axial- und Radialkräfte, Vorspannung, Rohrmomente, Rohrzugkräfte, Temperatur Nachrechnung (Grundlage: VDI 2230 Blatt 2) Schraubenkräfte und Momente Innenflansch/ Blindflansch bzw. Fundament beliebig Innendruck, Axial- und Radialkräfte, Vorspannung, Rohrmomente, Rohrzugkräfte, Temperatur Nachrechnung (Grundlage: VDI 2230 Blatt 2) Schraubenkräfte und Momente MDESIGN multibolt vs. ANSYS, NASTRAN, ABAQUS – schnell, reproduzierbar, wirtschaftlich Finite Elemente Programme wie ANSYS, Nastran und Abaqus bieten heute ebenfalls Ansätze für die Auslegung und Nachrechnung von Mehrschraubenverbindungen. Da sie jedoch keine Lösungsbibliotheken beinhalten, erfordert jede Einbausituation ein neues Modell. Das macht diese Vorgehensweise zeitraubend und sehr arbeitsaufwendig. Abhilfe schaffen hier zwar Werkzeuge wie die ANSYS Workbench, doch auch der damit verbundene Aufwand lässt sich in der Regel nur bei kritischen Komponenten oder solchen mit sehr hoher Wertschöpfung rechtfertigen. Viel Zeit sparen kann man dagegen mit der automatischen Netzgenerierung im CAD-Verbund. Doch die weitere Aufbereitung der Modelle hinsichtlich Beanspruchung, Randbedingungen und Materialverhalten macht diesen Zeitgewinn oft wieder zunichte und eine langjährige Erfahrung im Umgang mit der Finite Elemente Modellierung ist ebenfalls unabdingbar. Schließlich sind alle Berechnungen, die auf individuell oder automatisch erstellten Modellen aufbauen und singuläre Netzstrukturen erzeugen, für eine Zertifizierung nur bedingt geeignet. MDESIGN multibolt bietet dagegen den einzigartigen Vorteil, sämtliche Eingaben, Voreinstellungen, die Modellgenerierung, die Berechnung und die Ergebnisse nachvollziehbar und normgerecht generieren und dokumentieren zu können. Überdies ermöglicht die bewährte MDESIGN-Benutzerführung auch Anwendern ohne tiefere Kenntnisse der FEM-Methodik fundierte Analysen und Auslegungsberechnungen. Der damit verbundene Qualitäts- und Zeitgewinn ist ein weiterer Entscheidungsgrund für MDESIGN multibolt. Mit ParaFEM standardisierte Finite Objekte berechnen MDESIGN multibolt ist eine Anwendung des ParaFEM-Konzepts, das TEDATA gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Maschinenbauinformatik an der Ruhr-Universität Bochum und der Unterstützung des Landes NRW entwickelt hat. Mit ParaFEM-Modulen lassen sich Maschinenelemente und Standard-Baugruppen dimensionieren und verifizieren, die allein mit analytischen Verfahren nicht berechnet werden können. Kern des Verfahrens ist eine Regelbasis, mit deren Hilfe aus featurebasierten Finiten Objekten und Belastungsvarianten parametrische Finite Elemente Modelle gebildet werden können. Mit konkreten Eingaben versehen, erzeugen diese Modelle die Eingabedaten für die anschließende numerische Analyse. Die ParaFEM-Architektur nutzt für die numerische Berechnung das bewährte CalculiX, stellt aber auch Schnittstellen für andere FEM-Solver bereit. Die Ergebnisauswertung richtet sich in MDESIGN multibolt nach der VDI Richtlinie VDI 2230 Blatt 2 für die Berechnung von Mehrschraubenverbindungen und bezieht die analytische Vorgehensweise der VDI 2230 Blatt 1 ein. Neben MDESIGN multibolt befinden sich folgende ParaFEM-Module in der Entwicklung: Kerben und überlagerte Kerben, konische Federn, Tonnenfedern, Blattfedern, eckige Platten und Flansche. Kennzeichnend für alle Berechnungen ist die Integration von analytischen und numerischen Verfahren mit aktuellen Erkenntnissen aus Normung und Praxis.