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.