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Gut zu wissen: Hilfreiche Tipps und Tricks aus der Praxis prägnant, und auf den Punkt gebracht für Ansys
Autor Thema:  Spannungen in der Nähe von Randbedingungen auswerten!? (4925 mal gelesen)
dhk
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Ansys Workbench 14.5 mit ACP

erstellt am: 12. Feb. 2013 15:08    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities


Bolzen_Randbedingungen.jpg

 
Hallo Leute,

habe in einem Projekt einen Bolzen erstellt welcher auf Biegung belastet wird. Dieser wird einseitig in ein massives Bauteil eingeschraubt. Da ich nicht die komplette Baugruppe sondern nur den Bolzen berechnen will stellt sich mir nun die Frage wie ich die Randbedingen am besten setze.
Aktuell habe ich für den Bereich des Gewindes eine Fixierte Lagerung und für die Anschraubfläche ein starres Auflager (siehe angehängtes Bild), was mMn die Situation am besten wiedergibt. Nun treten allerdings auch die höchsten Spannungen genau am Übergang zwischen dem Gewinde und der Anschraubfläche auf. Dieser ist auch schon mit einem Radius versehen.
Wie representativ sind dann die errechneten Werte an dieser Stelle, da es ja eigentlich heißt das man nur in hinreichender Entfernung von Lagerungen Ergebnisse auswerten sollte?
Kann ich mein Modell anders / besser aufstellen? Oder sollte ich doch besser noch einen einfachen Klotz mit einer Gewindebohrung bauen und dies dann als Baugruppe betrachten? Wobei sich mir da schon die nächste Frage stellt ob man bei Kontaktbedingungen auch einen gewissen Abstand einhalten sollte beim auswerten.

Ich hoffe ihr könnt mir ein wenig weiterhelfen. Bin gerade noch dabei mich erst so richtig mit Ansys zu befassen. Und speziell zu einem solchen Fall habe ich noch keine Hilfe gefunden.

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deepblue
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erstellt am: 12. Feb. 2013 15:33    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für dhk 10 Unities + Antwort hilfreich

Hi,
wenn Du die Spannungen in dem Bereich auswerten möchtest, musst Du schon die Kontakte abbilden.
In der Nähe von Randbedingungen hat man immer große Steifigkeitssprünge. Daraus resultieren die hohen Spannungen (und auch aus der Elementgröße). Dies kannst Du besser mit Kontakten abbilden. Sicher wird dann auch der Gewindeauslauf interesant und auch noch eine Schraubenvorspannung?
Der Auflager-Kontakt wäre dann auch noch reibungsbehaftet, was eine Nichtlineare Rechnung bedeuten würde. Aber dafür ist ANSYS ja schließlich da....

Wie gesagt, wenn Du es genau wissen möchtest, müsstest Du es aus meiner Sicht so abbilden...

------------------
Gruss
Deepblue

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Cronjharn
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erstellt am: 12. Feb. 2013 15:35    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für dhk 10 Unities + Antwort hilfreich

Hi dhk,

wird der Bolzen in das nicht dargestellte Bauteil eingeschraubt mit einer definierten Vorspannung? Diese hat dann auf eine wie auch immer genutzte, ertragbare Belastung einen Einfluß. Weiterhin vernachlässigst Du bei Deiner Darstellung im Bild die Elastizität des Körpers in den der Bolzen eingeschraubt wird. Auch der Einschraubkörper erfährt in dem Falle, je nach tragendem Querschnitt eine Verformung.

Gruß Cron

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Rechenschieber
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erstellt am: 12. Feb. 2013 16:20    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für dhk 10 Unities + Antwort hilfreich

Hallo,

1) Gewinde sollten prinzipiell nicht auf Biegung belastet werden
2) wie schon angesprochen: Vorspannung?
3) wenn doch auf Biegung belastet: hast du genaue Informationen über das Material, Oberfläche, Lastzyklen?

=> Mit einer FE Rechnung - auch einer aufwändigen - kriegst du keine ungenügende Konstruktion gradegerechnet, schon gar nicht wenn die Lasten und das Material nicht klar definiert sind.

der Rechenschieber

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cgebhardt
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Maschinenbauingenieur


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erstellt am: 13. Feb. 2013 08:15    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für dhk 10 Unities + Antwort hilfreich

Hallo,

als Daumenregel, wie "nah" man einer Randbedingung (die außer bei Symmetrie immer einen verfälschenden Einfluß hat) kommen darf, bin ich immer soweit weggeblieben, so groß der Bereich ist, der die Randbedingung umfasst. Die im Bolzen gezeigte Ausrundung liegt also eindeutig in der "unerlaubten Zone". Heisst also, Kontakte modellieren, um die Steifigkeit der Anschlußteile korrekt zu erfassen. Dabei auch beachten, dass Schrauben durch ihre Historie deutlich andere Materaleigenschaften aufweisen als der Grundwerkstoff, siehe auch http://ww3.cad.de/foren/ubb/Forum101/HTML/005655.shtml#000007

Gruß CG

------------------
Christof Gebhardt

CAD-FEM GmbH
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85567 Grafing
Tel. +49 (0) 8092 7005 65
cgebhardt(at)cadfem.de
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dhk
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Ansys Workbench 14.5 mit ACP

erstellt am: 13. Feb. 2013 19:35    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Vielen Dank schonmal für eure Antworten.

Ich hatte es schon befürchtet das ich Kontaktbedingungen erzeugen muss. Nun sei es drum..

Den Punkt mit der Vorspannung habe ich hier um ehrlich zu sein komplett vergessen. Nur stellt sich mir da gleich eine neue Frage (ist wohl auch der Grund warum ich garnicht an die Vorspannung gedacht habe):
Eine Berechnung mit einer "gewohnlichen Schraube" welche 2 Bauteile miteinander verbindet ist kein Problem, da ist mir klar wie man die Vorspannung aufbringt.
Nur ist es jetzt hier ja der Fall dass der Bolzen bis zur Anschraubfläche im Bauteil steckt und dort mit einem Verbund definiert wird. Ich habe also zwischen Gewinde und Anschraubfläche keinen Schaft auf welchen ich die Vorspannkraft auftragen kann. Außerdem würde ein entsprechend nötiger Absatz auch wiederrum das Ergebnis verfälschen. Bei einer normal Schraube will ich in der Regel ja auch nicht die so vereinfachte Schraube analysieren, sondern die Bauteile drum herum.
Stehe da gerade ein wenig auf dem Schlauch wie ich sowas umsetze.
Wie gesagt bin noch dabei mich in Ansys einzuarbeiten und noch auf der Suche nach bewährten Tricks, Tipps, Kniffen usw.

Habe mir im Vorfeld schon diverse Literatur dazu angeschaut, u.a. den Gebhardt, welcher mMn allerdings alles nur recht Oberflächlich ankratzt.

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Rechenschieber
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MSC Patran Nastran Marc, FEMAP, PTC Mechanika, Ansys, Mathcad
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erstellt am: 13. Feb. 2013 20:11    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für dhk 10 Unities + Antwort hilfreich

Hoi dhk,

der Herr Gebhart kennt sich sicher im Detail aus - und nicht nur an der Oberfläche - der arbeitet doch bei CADFEM - die machen doch den Vertrieb sowie Ingenieursdienstleistungen für ANSYS.

Von der praktischen Seite kann Dir wirklich nur raten Schrauben nicht mit FE zu berechnen - ausser du bist aus irgendwelchen Gründen extrem knapp dran.

Die Vorspannung willst jetzt ja schonmal mitnehmen - gute Idee.
Jetzt aber: Wie gross ist den praktischerweise die Vorspannung? Die variiert sicher - je nach Anziehmethode - mit mindestens Faktor 2.5 (schau mal in der VDI 2230 unter Anziehfaktor nach).
Wenn Du weiter die VDI 2230 studierst wirst Du feststellen, dass zum Erhalt der Vorspannung ein verspanntes System notwendig ist => das Innegewinde der Bohrung (oder das Aussengewinde des Bolzens) sollte um einen gewissen Betrag innerhalb des Bauteils liegen um einen "Federweg" zu erlauben. Hast dies in deiner Konstruktion berücksichtigt? (Stichwort Verspannungsschaubild).

Ausserdem: wenn ich mir das Ding so ansehe ist der "Antenendurchmesser" doch recht viel kleiner als die Schraubenkopfauflagefläche (ca faktor 1.5 -2?). Unter der Annahme dass das Dingens wie ein Kragarm am Ende durch eine Kraft belastet wird ist dein kritisches Element voraussichtlich nicht das Gewinde sondern die "Antenne" - also, wieso das Gewinde mit FE berechnen?
und falls Du doch meinst, das Gewinde ist kritisch, machs doch a chli dicker.

Ich weiss, Deine Grundfrage ist: wie modelliere und berechne ich das mit FEM.
Meine Antworten gehen hier dran vorbei, aber Ehrenwort: Schrauben mit FE zu berechnen - mit was andrem als einem vereinfachten Balkenmodell um daraus die Zugkräfte zu bestimmen - und darauf sind Schrauben auszulegen - macht ausser in extremsten Ausnahmefällen keinen Sinn. Da kommt nix bei raus.

Gerne würde ich zB. von cgebhardt bzw. CADFEM mal ein Beispiel sehen wo die FE-(Volumen)modellierung von Schraubenverbindungen zu einem brauchbaren Spannungsnachweis geführt hat.

Gruss,

Der Rechenschieber

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smittytomcat
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erstellt am: 13. Feb. 2013 21:42    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für dhk 10 Unities + Antwort hilfreich

Die Bemerkung über C.Gebhardt ist wohl neben der Spur - ich habe ihn als kompetenden Gesprächspartner erlebt.
Und wenn man erst dabei ist sich in Ansys und die FEM einzuarbeieten ist wohl eher etwas Zurückhaltung geboten. Auch in der Fachliteratur kann nicht alles mundfertig serviert werden - kauen muß man schon selbst.
Gerd

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dhk
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Ansys Workbench 14.5 mit ACP

erstellt am: 14. Feb. 2013 08:27    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities

Wie der Lastfall bzw. die Geometrie jetzt aussieht kann ich nicht bestimmen, diese ist mir nunmal so vorgelegt worden. Da kann ich erstmal nichts dran ändern.
Vielleicht lässt sich jemand bei uns überreden um es auf einen reelen Versuch ankommen zu lassen. Dies dürfte dann wohl die genausten Ergebnisse liefern.
Trotzdem Danke für eure Hilfe.

Den Herrn Gebhardt wollte ich auch in keinstem Sinne schlecht reden. Sein Buch ist zum Einstieg echt super. Allerdings finde ICH geht es mir bei manchen Themen nicht tiefgründig genung. Klar ist mir aber auch dass man nicht alles bis ins kleinste beschreiben kann und sich selbst weiter damit beschäftigen muss um alles zu verstehen.

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deepblue
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erstellt am: 14. Feb. 2013 11:03    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für dhk 10 Unities + Antwort hilfreich

Hallo dhk,
das Du Hr. Gebhardt nicht direkt kritisiert hast, sondern Dich auf sein Buch bezogen hast, hab ich auch so verstanden - Vielleicht haben einige zu schnell gelesen...
Zum Thema Schrauben:
Die kann man schon mit ANSYS rechnen und es gibt auch einen Kurs von CADFEM dafür. Kommt halt drauf an, was man alles wissen möchte...
Zu den Anwendungsfällen:
- Schraube mit ausmodelliertem Gewinde
Das rechnet in der Tat kaum einer. Weil es zu lange dauert und die Auswertung schwierig ist
- Schraube mit Zylinder und Vorspannung
Das ist der übliche Fall. Normalerweise werden Schraubenverbindung in ANSYS dafür verwendet, um die Systemsteifigkeiten besser abbilden zu können. Somit ergeben sich andere Spannungs- und Verformungszustände, also weniger um eine Auslegung der Schraubenverbindung durchzuführen. Soll dies in speziellen Fällen gemacht werden, erfolgt diese angelehnt an die VDI 2230 (s. CADFEM-Kurs).
So wie ich Dich verstanden habe, möchtest Du die Spannungen im Gewindeauslauf bewerten. Hierzu musst Du diesen auch modellieren und wie beschrieben mit Schraubenvorspannung und Kontakten rechnen. Das ist aus meiner Sicht schon realistisch und die Modellgröße ist auch eher klein.

------------------
Gruss
Deepblue

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cgebhardt
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erstellt am: 15. Feb. 2013 17:42    Editieren oder löschen Sie diesen Beitrag!  <-- editieren / zitieren -->   Antwort mit Zitat in Fett Antwort mit kursivem Zitat    Unities abgeben: 1 Unity (wenig hilfreich, aber dennoch)2 Unities3 Unities4 Unities5 Unities6 Unities7 Unities8 Unities9 Unities10 Unities Nur für dhk 10 Unities + Antwort hilfreich

Hallo,

eine Standard-Schraube würde ich auch nicht mit FEM modellieren, sondern anhand der Schnittgrößen und VDI 2230 bewerten, das sehe ich so wie "der Rechenschieber".
Aber es gibt auch Gewinde, die man einfach genauer auflösen muss und im Gewinde eben nicht vereinfachen kann, wenn dadurch die Steifigkeit unzulässig beeinflusst wird. Beispiele für Anwendungsfälle die mir in dieser Hinsicht über den Weg gelaufen sind:
-Nicht Standard-Gewinde, die die Richtlinie nicht abdeckt wie z. B. den eingeschraubten (nicht angeschraubten) Deckel eines Hydraulikzylinders. Die Steifigkeit des Rohrs wird von der Kontaktsituation im Gewinde stark beeinflusst, also bleibt nur, diese Situation mit Kontakten aufzulösen.
-besondere Einbausituationen wie z. B. extrem schmale Flansche, in denen das Gewinde stirnseitig eingebracht wurde (z B. dünne Getriebegehäuse), so dass der Druckkegel durch die Materialstärke stark begrenzt wird und die eingeschraubte Schraube wesentlich zur Steifigkeit beiträgt und ein Verbundkontakt (statt Gewinde) zu stark versteifend wäre. Auch hier bleibt einem nur das Gewinde mit zu modellieren (je nach Detailanspruch ohne Steigung, damit die Modellierung einfacher wird), um die reale Steifigkeit mit zu erfassen.
Ja, seltene Fälle, aber sowas gibt es.

Und ja, im Buch ist die Schraubenmodellierung nur angerissen. Wenn es immerhin ein bisschen dazu beiträgt, dass Schraubenberechnungen
- mit Vorspannung
- in mehreren Lastschritten (dabei der erste ohne äußere Last)
- mit Berücksichtigung des Anziehfaktors
durchgeführt werden, bin ich zufrieden. Mehr ist in einer solchen Einführung nicht zu realisieren, sorry. Wichtig ist vor allem, die Steifigkeiten richtig abzubilden, das ist der zentrale Punkt. Dazu können in den vielen Fällen geometrisch idealisierte Schraubenmodelle verwendet werden. Es ist wie immer eine ingenieurtechnische Frage und was für eine Aufgabenstellung man zu lösen hat. Diese Abwägung immer wieder neu zu treffen, macht es aber doch spannend. Also weiterhin viel Spaß beim Simulieren und Bewerten.

Gruß
CG

------------------
Christof Gebhardt

CAD-FEM GmbH
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