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Verbindungsart.jpg Spannungsueberhoehung.jpg

Hallo liebe Kollegen,
nachdem ich eine Verbindung von mehreren Bauteilen, die miteinander verschraubt sind, erfolgreich gerechnet habe und dann in weiteren Zeitschritten zusätzliche Belastungen angetragen habe, muss ich feststellen, dass die Ergebnisse nicht plausibel sind. Die enorm hohen Spannungen bilden sich schon beim Vorspannen in LS1 aus. Die Bauteile durchdringen sich auch.

kurze Erklärung zum Modell:
- Gewinde als "Verbund" definiert
- alle anderen Kontaktflächen sind "reibungsbehaftet"
- Anzugsmoment beträgt 5Nm, damit FV von rund 25kN bei M8

Hat jemand eine Idee, woran es liegen kann bzw. wo man die Modelloptimierung ansetzen kann.

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Spannungsueberhoehung_01.jpg

Ich möchte gleich noch ein paar Informationen nachlegen.

Nun habe ich ein Teilmodell hergenommen und erstmal an zwei Schraubpunkten nur die Vorspannung untersucht.

Optimierungen:
- Radus an Schraube entfernt, der von Kante durchdrungen wurde
- Kontakt zwischen Spannblech und Gehäuse (opt. ein Spalt zu sehen im Bild) auf Kontakt und Berührung gesetzt

Ergebnis:
- grundsätzlich besser, aber noch immer deutlich zu hohe Spannungen in der Schraube
- die Ergebnisse in beiden Schrauben unterscheiden sich -> Überhöhungen unterschiedlich stark ausgeprägt
- Lage der Maximalwerte in der Schraube am Übergang des Verbundkontaktes zu "Schraubloch" (s. Bild)
- die Realität zeigt bei der verschraubten Baugruppe keinerlei Auffälligkeiten

Sollte hier vielleicht der Gewindebereich nicht als Verbund-Kontakt definiert werden? Was macht eurer Meinung nach Sinn, wenn man kein konstruiertes Gewinde mitrechnen will?

Gruß

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Hallo,
kannst du vor dem Lastschritt mit der Schraubenvorspannung noch einen Lastschritt ohne jegliche Lasten definieren. Das hat den Vorteil das sich die Kontakte finden können und du siehst ob allein schon das aufeinander ziehen oder raus drücken von Kontaktpaaren große Spannungen erzeugt.
Viele Grüße

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CADFEM GmbH
Christian Jensch
Berechnungsingenieur
Tel: +49 (0)371-334262-22
E-Mail: cjensch@cadfem.de
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[Diese Nachricht wurde von cjensch am 03. Nov. 2021 editiert.]

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Spannungsueberhoehung_02.jpg

Hallo Herr Jensch,
danke für den Tip. Leider hat es nichts am Ergebnis geändert. Je feiner das Netz in diesem Bereich wird, desto höher werden die Spannungsspitzen. Das sieht nach einem Singularitätsproblem aus.

Da ich die Geometrie an der Stelle nicht direkt ändern kann (kleinen Radius hinzufügen), da es sich um die Kontaktstelle von 2 Bauteilen (Schrauben im Loch) handelt und dadurch die "Ecke" entsteht (s. Bild), wäre die Frage, was man noch tun kann??

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Hallo,
man könnte der Schraube ein bilineares Material zuweisen, mit einer flachen Tangentensteigung.
Das würde die Rechnung langsamer machen da man mehr Iterationen benötigt aber die Spannungen sind deutlich niedriger.
Viele Grüße

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Christian Jensch
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Spannungsueberhoehung_03.jpg

Hallo Herr Jensch, der Test hatte soweit funktioniert und die Spannungen sind auch gesunken. Allerdings bin ich mir noch nicht sicher, ob das Problem damit "nur" minimmiert wurde, da die höchsten Werte immernoch in dem Bereich liegen.Wie realistisch sind diese jetzt?
Wie würden Sie das Ergebnis einschätzen?

beste Grüße

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Also jetzt mal im Ernst. Das ist doch alles Murx!
Schrauben werden nach DIN 2230 berechnet und wenn jemand eine Zylinderschraube mit Innensechskant so modelliert, dann hat er FEM nicht verstanden.
Schraubenberechnungen mit ANSYS sind nicht trivial und wenn man es richtig machen will, sollte man erst mal mit ANSYS Classic anfangen und
kalibrierfähige Modelle aufbauen. Sonst ist das alles wertlos. Und wenn man die Kontaktberechnungen nicht beherrscht kann man auch keine sinnvolle Fehleranalyse betreiben.

Ich habe häufig große Flanschverbindungen mit 60-80 Schauben M36 und größer. Dafür brauche ich schon 7 Loadsteps!

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Hallo,
wenn es direkt um einen Schraubennachweis geht dann sollte man natürlich etwas mehr Modellierungsaufwand betreiben. In der VDI 2230 ist dazu schon einiges Beschrieben, das bekommen wir allerdings in diesem Forum nicht geklärt -> das ist bei uns ein 3-Tages-Seminar.

Ich bin davon Ausgegangen das einfach nur die Spannungen "gedrückt" werden sollten damit man in der Legende nicht diese extremen Spannungswerte hat. Man geht einfach davon aus das die Schrauben halten und gibt eine Streckgrenze mit flachem Tangentenmodul vor. Allerdings sollte dann die Schraube nicht durchplastifizieren 

Die Kontaktsituation-Vernetzung ist auch nicht optimal, beide Seiten sollten in etwa gleich groß sein.
Im Hintergrund "leuchtet" ein grob vernetztet Bauteil rot, da scheint es auch eine Singularität zu geben.

Viele Grüße

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Christian Jensch
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1:1 Grundregel Nr.1

Schrauben in Ansys bitte ausschließlich mit Hexaeder vernetzen, da bei der RB der Schraubenvorspannung der Solver zusätzliche Knoten in das Netz einfügt.

Grundregel Nr.2

Der Kontakt des Körpers von Interesse (Kontaktkörper) immer sehr fein vernetzen.

Grundregel Nr.3

Keine größere Abweichung der Netzdichte am Kontakt größer als zwei wenn standardmäßig mit einem symmetrischen Kontakt gerechnet wird.

Grundregel Nr.4

Kontaktbedingung wie Durchdringung auswerten und ggf. die Kontaktsteifikeit anzupassen bzw. den Algorithmus ändern. Ansonsten fürt das zu unrealistisch hohen Spannungen am Kontakt.

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@POLYSIUS
Eine solche Antwort hilft leider niemanden weiter und zeigt nur eine gewisse Arroganz. Wenn Sie so genervt sind, dann müssen Sie sich nicht zu dem Beitrag äußern. Andere Kollegen sind jedenfalls bemüht, eine Hilfestellung zu gben, dafür bin sehr dankbar!

Die Bedingungen sind nunmal so, dass ich mit dem auskommen muss, was jetzt geht. Um erstmal wieder in Classic zu beginnen und sich dann weiter langsam aufzubauen, ist im Berufsalltag die Zeit leider nicht vorgesehen. Es fallen zurzeit alle strukturmechanischen Themen bei mir an und da sind viele Dinge dabei, die ich zum ersten mal umsetzen muss. Einen zweiten Kollegen vor Ort, mit dem man sich austauschen könnte, gibt es nicht.

[Diese Nachricht wurde von saab900 am 01. Dez. 2021 editiert.]

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Zitat:

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Original erstellt von cjensch:
Hallo,
wenn es direkt um einen Schraubennachweis geht dann sollte man natürlich etwas mehr Modellierungsaufwand betreiben. In der VDI 2230 ist dazu schon einiges Beschrieben, das bekommen wir allerdings in diesem Forum nicht geklärt -> das ist bei uns ein 3-Tages-Seminar.

Ich bin davon Ausgegangen das einfach nur die Spannungen "gedrückt" werden sollten damit man in der Legende nicht diese extremen Spannungswerte hat. Man geht einfach davon aus das die Schrauben halten und gibt eine Streckgrenze mit flachem Tangentenmodul vor. Allerdings sollte dann die Schraube nicht durchplastifizieren  

Die Kontaktsituation-Vernetzung ist auch nicht optimal, beide Seiten sollten in etwa gleich groß sein.
Im Hintergrund "leuchtet" ein grob vernetztet Bauteil rot, da scheint es auch eine Singularität zu geben.

Viele Grüße

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Danke Herr Jentsch. Es soll kein Schraubennachweis geführt werden, dazu fehlen uns schlicht schon zu viele Angaben zu der eingesetzten Schraube. Es ging, wie Sie richtig erkannt haben, um die Spannungsüberhöhungen, die mit feinerem Netz stiegen.
Sinn der Berechnung ist die Überprüfung, ob unser Gehäuse (aus zwei Teilen geschraubt) bei einem gewissen Innendruck in der Verbindnung hält oder ob diese aufgehen wird.

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CADFEM2013SchraubennachweisVD2230.pdf

Anhang

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Spannung_Lin.jpg Spannung_NL.jpg

Liebe Kollegen,
danke nochmals für die Hinweise. Schlussendlich sind wir zu dem Schluss gekommen, dass bei aller Näherung die Verbindung nicht halten wird. Daher habe ich ein neues Modell erstellt mit einer anderen Verbindung. Hier ist nun kein Gewinde in dem Gehäuse mehr vorhanden und es handelt sich um eine klassische Schraubenverbindung wie bei einem Flansch.
Ich habe aus Interesse nun die Schraube einmal rein linear elestisch berechnet und einmal als nicht linear.
Die Ergebnisse unterscheiden sich sehr deutlich, zu Ungunsten der Berechnung mit nicht linearem Materialverhalten.

Was ist Ihrer Meinung nach das "bessere" Ergebnis? (s. Bilder - Skala angeglichen)

beste Grüße und ein frohes Weihnachtsfest!

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Hallo,
es ist schwer für mich hier eine Einschätzung zu geben da ich das Modell nicht kenne.
Man sieht das FE-Netz zwar nicht, die eckigen und sich abrupt ändernden Iso-Linien des Spannungsplots lassen auf ein zu grobes Netz schließen. Das hätte ich noch einmal verändert.
Ansonsten sind mir nichtlineare Materialien lieber als lineare, da Sie die Realität besser abbilden. Und da hier die plastischen Bereiche eine große Rolle spielen, so scheint es, würde ich der nichtlinearen Berechnung mehr trauen. Wo ist denn die Fließgrenze des Materials?
Viele Grüße

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Hallo Herr Jensch,
danke für die schnelle Antwort. Das Netz könnte man sicher nochmals verfeinern, allerdings hat das nicht lineare Modell so schon eine Rechenzeit von 33h gehabt (3 Lastschritte)
Mich verwundert es , dass der Unterschied doch so erheblich gerade im Bezug auf das Gehäuse ist.
Ich will nochmal darauf hinweisen, dass speziell die Schraube das nicht lineare Materialverhalten bekommen hat.
Bei dem Gehäuse handelt es sich um eine Aluminiumlegierung C355 mit einer Fließgrenze bei nur 172 MPa.
Andere Bilder kann ich erst im Januar nachreichen, da ich jetzt im Weihnachtsurlaub nicht mehr an die Workstation rankomme. Wenn noch Bedarf wäre, um das Modell besser zu verstehen, dann würde ich das nachreichen.

beste Grüße und frohe Weihnacht

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Vorspannung_Problem.jpg 65.jpg

Hallo Herr Jensch, liebe Kollegen,
vorab wünsche ich allen ein gutes, gesundes und erfolgreiches neues Jahr 2022.

@Herr Jensch: Die Netzstudie zum Modell läuft noch.

Ich habe mir die Ergebnisse nochmal genauer angeshaut und bin im ersten Lastschritt auf eine "kuriose" Darstellung der Spannungsergebnisse gestoßen. Im ersten LS handelt es sich ausschließlich um das Vorspannen der Schraube. Ist der in Abb.1 gezeigte Effekt nur auf die Darstellung oder auf ein falsches Erfgebnis zurückzuführen. Auffällig ist auch, dass die Darstellung nur mit sehr starken Überhöhungsfaktor (automatisch) angeboten wird. Gibt es eigentlich die Möglichkeit diesen Faktor selbst festzulegen?

Als zweiten Schritt habe ich mal eine Rechnung mit halbierten Druckwerten rechnen lassen, was in etwa die Verdopplung der Schraubenanzahl darstellen soll. (Symmetrie) Ich hätte nun ein deutliches Absinken der Spannungswerte erwartet, aber wie in Abb.2 gezeigt, ist dem nicht so.
Woran könnte das liegen? Eher am Modell? ... oder ist es eher so zu lesen, dass die Druckbelastung gar nicht die hauptsächliche Ursache der Spannungen ist?
Dann bliebe nur die Kombination aus Vorspannung und Temperaturanstieg... Gibt es dazu Erfahrungen?

Vielen Dank vorab.

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Netz_alt.jpg Netz_neu.jpg Konvergenzproblematik.jpg

Hallo noch einmal,
wie angekündigt, habe ich mich nochmal an die Netzstudie gesetzt. Dabei habe ich nun versucht folgende Punkte umzusetzen:

1. Schraube mit Hexaedernetz
2. Kontaktelementgrößen definiert
3. kritische Bereiche deutlich verfeinert
4. globale Netzgröße etwas vergrößert

Ich habe mal zwei Bilder angehängt mit dem "alten" Netz und dem Optimierten. Leider kommt es nun dazu, dass das optimierte Netz (doppelt so viele Elemente wie das Ursprungsnetz) nicht zu konvergieren scheint. Das dritte Bild zeigt die Situation:

Schon im ersten Lastschritt kommt es zu mehreren Bisektionen. Selbst das "Unterbrechen" der Rechnung dauert jetzt schon über 30min. Ich denke, dass das Problem in den Kontakten in Kombination mit der Schraubenvorspannung zu suchen ist. Vielleicht helfen "schwache Federn" oder "große Verformungen" weiter, das konnte ich zu Kontakten in der Literatur finden.

Kann jemand einen konkreten Ansatz sehen, wie ich zu einer stabilen Berechnung des Systems komme?

Danke euch schon im Voraus!

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Zitat:

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Original erstellt von saab900:

Ich habe mal zwei Bilder angehängt mit dem "alten" Netz und dem Optimierten. Leider kommt es nun dazu, dass das optimierte Netz (doppelt so viele Elemente wie das Ursprungsnetz) nicht zu konvergieren scheint.

Danke euch schon im Voraus![/i]

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Wundert mich nicht, denn die Netzdichte der Kontaktpaare ist viel zu differenziert, das meistens zu "highly distorted" Elementen und entsprechnden Warnungen in der Solver out führt. Leider lässt die Netzqualität zu wünschen übrig.
Außerdem führt der programmgesteuerte Algorithmus "Augmented Lagrange" sogenannte Kontaktfedern ein. Das ist auch die Option der Kontaktsteifigkeit, denn mit dieser Option wird die Federkonstante über einen skalaren Faktor definiert.

Leider hat man die bereits genannten 1:1 Grundregeln nicht beachtet:

Standardmäßig wird mit einen asymmetrischen Kontakt gerechnet. Hier müssen die Kontaktflächen nicht identisch vernetzt sein, aber auch hier sollte der Größenunterschied nicht größer als um den Faktor zwei sein. Außerdem ist beim asymmetrischen Kontakt genau auf die Kontaktdefinition zu achten. "Target" ist immer der nicht belastete Solid mit der geringen Netzdichte, also dem gröberen Netz. Auch sollte der Target-Solid stets das größere E-Modul haben und das ist sehr oft ein Problem, wie auch hier (Gehäuse AL-Legierung / Schraube (Kontakt) Stahl), und führt zu Konvergenzproblemen.

Daher solle man in den meisten Fällen mit einem symmetrischen Kontakt und somit deutlich höheren Rechnaufwand rechnen. Der symmetrische Kontakt ist deutlich robuster aber erfordert eine identische Kontaktvernetzung.

Allgemein ist zu sagen, dass die Kontaktvernetzungsqualität sehr zu wünschen übrig lässt und eine Substep Size von 0,2 , also fünf anfänglichen Substep, für nicht lineare Kontakte doch deutlich zu wenig ist. Bitte mit den Grundlagen der Kontakt-Algorithmen und deren Theorie vertraut machen. Da ich sehe, dass es sich laut Bilder um eine kommerzielle Lizenz handelt, hat man somit Zugang zum Konsumer-Portal und somit detaillierten Ansys Hilfe und Dokumentation.
Kontakte und vor allem nicht lineare Kontakte sind kein trivales Thema. Aus dem Grund ist es immer ratsam zuerst mit lineraren Kontakten wie "Verbund" und keine "Trennung" zu rechnen. 

[Diese Nachricht wurde von Duke711 am 29. Jan. 2022 editiert.]

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