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Werte Herren,

Seit längerem beschäftigt mich eine Simulation einer eigentlich einfachen Schraubenverbindung. Es handelt sich um eine zentrisch verspannte und zentrisch belastete Durchsteckverschraubung, nur eine Schraube und Mutter. Die Analyse ist in 5 Lastschritte gegliedert:

1.Schraubenvorspannung aufbringen 21kN
2.Inkrement -1.1*10^-2 mm (Setzen)
3. Sperren, Betriebslast 1000 N
4. Sperren, Betriebslast 2000 N
5. Sperren, Betriebslast 3000 N

Und nun das Problem:

Die Stichprobe der Schraubenvorspannung zeigt Werte die nicht plausibel sind. Die Gesamtschraubenkraft nach dem Setzen (Lastschritt 2) ist grösser als die Gesamtschraubenkraft nach Aufbringen der 3kN Betreibslast. Da es sich bei der Betriebslast um eine Zugkraft handelt, ist dies jedoch nicht möglich.

Durchdringung wurde schon geprüft, die Kontaktsteifigkeit manuell erhöht. Die Vernetzung wurde auch schon mehrmals angepasst. Ausserdem wurden verschiedene Kontakte in der Schraubenkopf- und Mutterauflage getestet (Verbund MPC, Reibungbehaftet). Leider alles ohne Erfolg.

Hat jemand eine gute Idee was man noch probieren könnte bzw. an was dies liegen kann?

Herzlichen Dank

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Ohne weitere Details ist das kaum zu beantworten.
z. B.
Welche Verkürzung der Schraube errechnet ANSYS für die 21 kN Vorspannung?
Wie wird das Setzen definiert (ich vermute hier die Ursache)?
Welche Verkürzung ergibt sich in den Lastschritten mit Belastung?
Wie hoch ist die Penetration in den Kontakten?
Wie wird die Schraubenkraft ausgewertet? Über Kontakte? Wie sind diese definiert? Sind die Flächen im auszuwertenden Kontakt in anderen Kontakten oder Randbedingungen enthalten?

Viele Grüße
CG

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Christof Gebhardt

CADFEM GmbH
Marktplatz 2
85567 Grafing
Tel. +49 (0) 8092 7005 65
cgebhardt(at)cadfem.de
www.cadfem.de

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Guten Tag Herr Gebhardt, vielen Dank für Ihre Antwort. Die nötigen Informationen gebe ich ihnen gerne:

"Welche Verkürzung der Schraube errechnet ANSYS für die 21 kN Vorspannung?" +"Welche Verkürzung ergibt sich in den Lastschritten mit Belastung?"

0.10343 mm nach Aufbringen der 21kN
Nach dem Inkrement: 0.092432 mm
Für die drei weiteren Lastschritte,in denen die äussere Last aufgebracht wird, bleibt der Wert gleich wie beim Inkrement.

"Wie wird das Setzen definiert (ich vermute hier die Ursache)?"

Das Setzen wird mit einem Inkrement definiert, d.h. der Setzbetrag wird direkt als Inkrement eingegeben. Er beträgt 0.011 mm.

--> Verkürzung der Schraube nach Vorspannen minus Setzbetrag entspricht Verkürzung nach dem Setzen. Das würde also stimmen. (0.10343-0.011=0.09243)

"Wie hoch ist die Penetration in den Kontakten?"

Die Durchdringung in der Trennfuge beträgt 3.75*10^-5 mm, ist also um eine Vielfaches kleiner als der Setzbetrag.
Die Kontakte in Kopf- und Mutterauflage sind auf Vebund,MPC.

"Wie wird die Schraubenkraft ausgewertet? Über Kontakte? Wie sind diese definiert? Sind die Flächen im auszuwertenden Kontakt in anderen Kontakten oder Randbedingungen enthalten?"

Die Schraubenkraft wird ausgewertet, in dem die Schraubenvorspannung auf Lösung gezogen wird.

Die Ausgabe der Schraubenvorspannungs-Stichprobe:

1.Lastschritt    0.10343          0
2.Lastschritt    9.2432e-002    18766
3.Lastschritt    9.2432e-002    18750
4.Lastschritt    9.2432e-002    18738
5.Lastschritt    9.2432e-002    18734

Vielen Dank und freundlicher Gruss

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test.zip schraube.PNG

Hm, schwer zu verstehen.
Anbei ein Modell mit einer ähnlichen Situation. Da ist es so, wie man erwartet. Eigentlich sollte das von der Modellbeschreibung passen.
Die einzige Erklärung die ich habe: Die Belastung sorgt für Kompression bei der Schraubverbindung. Das würde auch erklären, dass mit höherer Last die Schraubenkraft immer weiter sinkt. Wie sind denn die Verhältnisse?
Kann das Modell hier hochgeladen werden? kein Netz, keine Ergebnisse, Zip-File.
Alternativ: bitte Bilder des Modells, der Verformung im Schnitt, der minimalen und maximalen Hauptspannungen einstellen.

Viele Grüße
CG

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Christof Gebhardt

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Guten Tag,

Ja es ist speziell und ich bin mit meinem Latein eigentlich schon am Ende.
Leider erhalte ich beim Upload von Dateien einen Server-Error.
Ich habe Ihnen das archivierte Projekt per E-Mail gesendet.

Vielen Dank und freundliche Grüsse

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Mit Blick auf das konkrete Modell ergaben sich folgende Hinweise:

Schauen Sie sich mal die Durchdringungen zwischen den Flanschen an. Die ist groß im Vergleich zu den Kräften die sie betrachten. Die Auswirkung von 1000 N äußerer Last auf die Schraube bewegt sich so bei etwa 10 N.
Vergleichen Sie das mit der Schraube: 21000 N und .102 mm = 20600 N/mm. Bei 10 N reden wir also über Verschiebungen in der Schraube von .0005 mm. Die Penetration zwischen den Flanschen ist .0002. Vielleicht ist auch die Analysetoleranz von 0.5% noch zu grob (0.5% von 21000 N sind deutlich mehr).
Ich vermute daher, dass die Analyse ein Genauigkeitsproblem (oder 2) aufweist, weil die die Analyseergebnisse von Ihrer Größe her so klein sind, dass sie im Bereich der Analysegenauigkeit liegen (Konvergenz, Penetration).

Ich habe ab jetzt keine Möglichkeit, mich weiter darum zu kümmern, werde aber am Wochenende drauf schauen. Was ich empfehle
1.      Halbmodell: spart Rechenzeit, und ermöglicht feinere Netze
2.      Feineres Netz zwischen den Flanschen um die Bohrung (und nur dort), gröberes Netz global (die bestehende globale Vernetzung bringt m. E. nichts, kostet nur Rechenzeit.
3.      Penetration reduzieren: Augmented Lagange und Penetration limitieren oder normal Lagrange (vermutlich das erstere )
4.      Kontaktsteifigkeit kontrollieren: So wie Sie die Settings im Moment haben FKN = Faktor 10 und Update programmgesteuert wird die Steifigkeit angepasst (verändert). Ich würde versuchen das zu vermeiden. Also Update ausschalten und dann FKN neu einstellen.
5.      Die Ergebnisgrößen die Sie betrachten sind sehr klein und liegen im Bereich der Berechnungsgenauigkeit, hier könnte eine Verfeinerung der Konvergenzschranke um eine oder zwei Zehnerpotenzen sinnvoll sein.

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Christof Gebhardt

CADFEM GmbH
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So, ich habe mir das Modell nochmal ausgiebig angeschaut.
Mit Normal Lagrange und einer um Faktor 10 höheren Konvergenzschrankengenauigkeit gerechnet. Das Ergebnis bleibt das gleiche. Die Penetration ist kleiner 1e-10 mm. Die numerische Modellgüte ist also in Ordnung. Die Schraubenkräfte nehmen aber nach wie vor bei sehr kleinen Zuglasten auf die Schraubverbindung zunächst leicht ab und steigen dann mit zunehmender Zuglast an.
Nachdem ich das Modell bestimmt 5-6 Mal in verschiedenen Konstellationen durchgerechnet habe, habe ich meine Skepsis bzgl. der numerischen Güte abgelegt und mich gefragt, ob es einen physikalischen Grund geben könnte, für diesen Abfall der Schraubenkraft.
Ein Grund könnte sein, dass der Flansch etwas dünner wird, dadurch würde die Schraubenkraft sinken. Und ja, durch die Biegung wird der Flansch dünner (die Zugbelastung und die Lagerung greift an den verschraubten Flanschen weit außen an). Nicht viel, aber bei 1000 N so ca. 0.001mm. Um zu prüfen, ob dieser Effekt wirklich eine Rolle spielen könnte, habe ich deshalb die Biegesteifigkeit der Platten erhöht (und nur der Platten, die Schraube muss so weich bleiben). Und ja, der Abfall der Kraft wird bei 10fach höherer Plattensteifigkeit deutlich geringer.
Deshalb komme ich zu dem Schluss, dass die Kraftentwicklung realistisch ist, so wie sie in der FEM berechnet wurde. Von der Bewertung her spielt das eh fast keine Rolle, weil die Werte so gering ist, aber das Verhalten hätte ich so vom Prinzip her nicht erwartet.

Echt interessant, wieder was gelernt.

Schönes Rest-Wochenende noch.

CG

 

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Christof Gebhardt

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