Schraubenverbindungen in FEM (Autodesk/Inventor)

Hallo liebe CAD-Freunde,
ich hantiere zur Zeit mit dem Inventor Professional 2010 und weiß nicht genau wie ich eine ordentliche Lösung für mein Problem finden kann.
Es geht darum, dass ich eine Konstruktion habe, die durch Kräfte belastet wird und innerhalb dieser es einige Schraub- und Schraube-Muttern-Verbindungen gibt.
Die Kräfte einzufügen und dann über FEM analysieren zu lassen klapp alles prima, allerdings weiß ich nicht wie ich korrekt die Schraubenverbindungen einfügen soll. Dh. wie ich die korrekten Anziehdrehmomente und die daraus resultierenden Axialkräfte mitberücksichtigen kann.
Ich habe das ganze jetzt behelfsmäßig über Längskräfte, die zur Hälfte auf den Schraubenschaft und zur Hälfte auf das Mutterngewinde(in die andere Richtung) wirken gelöst. Problem ist, dass die Kräfte ja dann auf den ganzen "Schraubenschaft"(in meinem Fall also auch auf den Teil ohne Gewinde) wirken.
Kurzum: Wie kriege ich es vernünftig hin, dass von mir vorgegebene Anziehdrehmomente bei Schraubverbindungen im Inventor bei der FEM-Analyse mitberechnet werden?

Vielen Dank schonmal!

Schöne Grüße
CaptainKelly

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Hallo,

Mir ist keine Möglichkeit bekannt, um die Übersetzung von Anzugsmoment auf Vorspannkraft im FEM zu analysieren.
Die Vorspannkraft direkt kann das FEM von IV auch nicht einbringen, aber es gibt einen etwas mühsamen workaround (copyright Michael Puschner): Schraubenverbindung alleine mit der gewünschten Vorspannkraft belasten, elastische Dehnung notieren, Schraubenverbindung sodann um diesen Wert verkürzst modelliert in die BG einbauen, Kontakte entsprechend vergeben.
In anderen FEMs der Mittelklasse kann man eine Schraubenvorspannung direkt aufbringenn, und sogar da ists dann noch ziemlich viel Handarbeit. Ich habs bisher nur in ganz wenigen Ausnahmefällen gemacht.

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mfg - Leo

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Hallo Leo,
es gibt eine andere Möglichkeit die sogar von Autodesk empfohlen wird, dabei fügt man die Schraube als Benutzerdefiniertes Bauteil ein und trennt Sie dann an einer Stelle so weit das im FEM kein automatischer Kontakt erzeugt wird den beiden Schnittflächen weißt man nachher die berechnete Vorspannkraft zu. Hier mal ein Bild das Hugh Henderson von Autodesk im Ami-Forum hoch geladen hat:

Ein wie ich finde "relativ" simpler Workaround.

Beste Grüße

Matthias

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Nihil Ex Nihilo

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Danke für den Tip, das ist immerhin ein bisserl weniger mühsam, und für korrekte "schlanke" Schraubverbindungen wahrscheinlich ausreichend realitätsnahe.

Es bleibt die für IV-FEM typische sehr unangenehme Frage: Wie kriegt man das auf die Reihe, einerseits "am lebenden Modell" zu arbeiten (und während der FEM-Rumprobiererei gemachte Modelländerungen nach der psoitiven Analyse gleich verfügbar zu haben) und andererseits so Modelländerungen wie zu kurze oder abgeschnittene Schraubverbindungen extra für die Analyse machen zu müssen, was ja zwingend das Arbeiten mit Modellduplikaten erfordert?
(Schrauben abschneiden könnte man immerhin als BG-Bearbeitung machen).

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mfg - Leo

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Hallo Leo,

am besten arbeitet man für FEM mit Modellduplikaten.

Oftmals müssen diese Modelle hat man ja auch entsprechend der Komplexität bearbeitet werden. Vereinfachungen wurden vorgenommen Radien möglicherweise entfernt etc. ... und diese geteilte Schraube eingefügt.

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Gruß Lothar

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Nun mags ja sein dass man mit Vault besonders leicht Modellduplikate anlegen kann. Ohne Vault ist das eine mühsame und risikoreiche Angelegenheit, insges. mehr Arbeit als die FEM-Analyse selber. Wie oft hab ich mir schon unversehens das Originalmodell zerschossen dabei...

Aber wir driften etwas weg von der Ausgangsfrage:
Eine Schraubenverbindung innerhalb einer BG würde ich eher separat betrachten, also zuerst Schraubverbindung analysieren, dann die ges. BG.
Sonst passierts nur zu leicht dass sich das FEM zu Tode rechnet.

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mfg - Leo

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Ahh perfekt! Vielen Dank Leute!
Könnt ihr mir nur nochmal kurz sagen, ob die Formel für die Axialkraft dann richtig ist:
Fa=Steigung/(2*Pi*Radius)*Anziehdrehmoment/Radius

Schöne Grüße
CaptainKelly

PS: Problematisch wirds allerdings, wenn die Schraube sowohl längst als auch quer belastet wird...

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Beim ersten Blick auf Deine Formel fehlt mir da die Reibung?

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mfg - Leo

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Ja irgendwie kommen mir der Formel auch die abenteuerlichsten Ergebnisse raus...

Ich werde einfach die Vorspannkräfte aus meinen Tabellen entnehmen. Kurze Frage noch: Ist das Verhältnis der Vorspannkraft und des Drehmoments linear? Das hieße: Halbes Drehmoment, halbe Vorspannkraft?
Anschließend die Vorspannkraft durch 2 teilen und man hat die Beträge für die beiden Kräfte in der FEM-Berechnung.

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Hallo CaptainKelly,
Hier findest Du die notwendigen Formeln.

Beste Grüße

Matthias

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Nihil Ex Nihilo

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Zitat:
Original erstellt von CaptainKelly:
...Anschließend die Vorspannkraft durch 2 teilen und man hat die Beträge für die beiden Kräfte in der FEM-Berechnung.

Nichtgenügend, setzen!

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mfg - Leo

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Danke pepper4two! Ein wirklich gutes PDF!

Kannst du mir das erklären Leo Laimer?

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Schau mal im PDF 6.1.1. das mittlere Bild an

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Gruß vom Oberrhein

Jörg

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Da ist aber die Rede von Betriebskräften nicht mehr von der Vorspannkraft, oder? Meine Überlegung war, dass ich mir z.B. die Mutter als fest im Raum verankert vorstelle und die Schraube dann vorspanne, also wie im linken Bild der 3. Lass ich nun die Mutter los müsste sich ja die Vorspannung in zwei gleich große Teilkräfte mit jeweils anderem Vorzeichen zerlegen. Oder hab ich da irgendwo einen Denkfehler?

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In welchem Fall ist das Seil stärker Belastet?

A) An einem Ende zieht eine 500N, das andere Ende ist an einer Mauer befestigt.

B) An beiden Enden ziehen 500N

*grübel*

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Man findet immer dort besonders viel Chaos, wo man nach Ordnung sucht. Das Chaos besiegt die Ordnung, weil es besser organisiert ist.

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Haha stimmt, da war doch was

Danke für den Fingerzeig

Danke nochmal an alle für die tolle Hilfe!

[Diese Nachricht wurde von CaptainKelly am 02. Sep. 2010 editiert.]

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Ich nochmal

Gibt es irgendwelche Richtlinien mit welchen mittleren Reibungszahlen man bei selbstsichernden Muttern rechnen sollte(Polykern).

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Moin,

hat jemand gute Tutorial PDFŽs mit einfachen FEM Beispielen für den Inventor 2010? Ich habe zwar das "Up and Running" Buch, wäre dennoch an einfachen Fallbeispielen erklärt.

Wäre Klasse.

Danke und Gruß

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Hallo Kelly,
die Reibungszahl kann ich Dir leider nicht nennen, aber wenn es wirklich wichtig ist das die Muttern sich sichern dann solltest Du die mit dem Polykern nicht verwenden, deren Wirkung ist nur sehr begrenzt gewährleistet. Verwende lieber die Nord-Lock Scheiben da hast Du die Sicherheit das die Mutter nicht doch verloren geht.

Beste Grüße

Matthias

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Nihil Ex Nihilo

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Ja wäre schon seeehr wichtig, dass die nicht flöten gehen

Ich hatte eigentlich vor das ganze noch mit einer selbstsichernden Mutter und Loctite mittelfest zu sichern.
Das Problem ist, dass meine Konstruktion an zwei Stahlblechen festgezogen wird zwischen denen noch ca. 50mm Platz sind. Das heißt ich möchte da mit möglichst wenig Drehmoment rangehen, um die Bleche nicht zu verbiegen. Andererseits sollte das ganze schon sehr Vibrationsresistent sein(soll an einen PKW montiert werden).
Nord-Lock ist wirklich ein tolles System. Danke dafür, die Scheiben kannte ich noch nicht.
Meinste, die sind auch bei geringeren Drehmomenten noch geeignet?

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Hallo CaptainKelly,
kannst Du keine Distanzhülse zwischen die Bleche schieben um eine Verformung zu vermeiden?

Beste Grüße

Matthias

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Nihil Ex Nihilo

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Ne leider nicht, weil meine Konstruktion an den Blechen gehalten werden muss. Die Konstruktion muss gleichzeitig zu den Seiten fest sitzen und auch noch Längstkräfte aufnehmen. Die Längstkräfte müssen 100%ig von den Blechen getragen werden. Weil es seitlich(also im Abstand der Bleche) zu Abweichungen kommen kann, die ich nicht genau einschätzen kann, würde ich die ganze Geschichte von den Seiten durch eine durchgehende Schraube festziehen.
Ich hoffe ich konnte das einigermaßen klar machen.

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Nö, kein Wort verstanden.

Wenn Du 2 Bleche auf Abstand nur verspannst und dabei mit dem Anzugsmoment so vorsichtig sein mußt, daß dabei nichts verbiegt, dann treten auch keine nennenswerten Längskräfte in den Schrauben auf.
Das Anzugsmoment setzt sich aus dem Teil zusammen, der die Schraubenlängskraft erzeugt, Gewinde- und Kopfreibung, und dem Teil zur Überwindung der Reibung des Kunststoffeinsatzes der selbstsichernden Mutter. Letzterer Teil ist minimal und spielt als Verlust des Anzugsmomentes für die Erzeugung der Vorspannung keine Rolle (außer vielleicht bei M2). Wenn Du die Mutter so locker anziehst, daß der Kunststoffeinsatz eine Rolle spielt, dann erzeugst Du beim Anziehen auch keine nennenswerte Vorspannung.
Was willst Du da noch rechnen?

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Grüße von Harry

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Hallo CK,
eventuell solltest Du mal über die Verwendung von Nietmuttern nachdenken, damit könntest Du deine Konstruktion von beiden Seiten an den Blechen befestigen. Im übrigen solltest Du, beim Hersteller des Fahrzeuges nachfragen ob eine Befestigung von weiteren Anbauteilen an der gewünschten Stelle statthaft ist. Die meisten Hersteller bieten sogenannte Aufbaurichtlinien an in denen in vielen Fällen schon sehr präzise beschrieben ist was geht und was nicht. Denk immer daran das die von Dir vorgenommenen Änderungen deutlichen Einfluss auf die Integrität der Fahrzeugstruktur haben könnten.

Beste Grüße

Matthias

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Nihil Ex Nihilo

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Mir kommt die ganze Konstruktion, soweit ichs verstanden habe, äusserst suspekt vor. Kann man aber nur beurteilen wenn mans tatsächlich sieht.
Aber:
Selbstsichernde Muttern haben dieselbe Reibung im Gewinde wie normale, nur zählt sich ein vergleichsweise geringes fixes Moment durch den Kunststoffring dazu. Für eine normale Schraubenauslegung kann man den Effekt getrost weglassen.
Und:
Dünne Bleche sind im FEM traditionell schwierig zu berechnen, das macht den meisten Vernetzern ziemlich zu schaffen.
Und die Warnungen betr. Integrität der Fahrzeugstruktur sind ernst zu nehmen!

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mfg - Leo

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Ich hoffe ja bloß, dass niemand verletzt werden kann, sollte das hier "berechnete"

jemals zur Ausführung und zum Einsatz gelangen...

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Roland
www.Das-Entwicklungsbuero.de

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Hallo,

nun sind 7 Jahre ins Land gezogen und ich finde dennoch keinen hilfreicheren Thread als diesen hier.

Gibt es denn inzwischen eine elegantere Variante als der Workaround aus Post #3? Benutze Inventor 2018.

Im Detail möchte ich eine Schraubenverbindung inklusive deren Vorspannkraft bei der Belastungsanalyse mitsimulieren.

Könnte mir das Nastran In-CAD weiterhelfen, geht das da?

Grüße, Stefan

[Diese Nachricht wurde von Stef86 am 06. Okt. 2017 editiert.]

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Zitat:
Original erstellt von Stef86:
... Gibt es denn inzwischen eine elegantere Variante als der Workaround aus Post #3? Benutze Inventor 2018. ...

Die Vorgehensweise im dritten Post ist keine Vorspannung. Sie ist nur dann richtig, wenn keine weiteren Lasten hinzukommen. Werden die verschraubten Bauteile zusätzlich belastet, ist diese Vorgehensweise falsch.

Die im zweiten Post erwähnte Vorgehensweise ist richtig und die einzige, die in der Belastungsanalyse von Inventor möglich ist. Hier hatte ich sie einmal etwas genauer beschrieben:

http://ww3.cad.de/foren/ubb/Forum50/HTML/024454.shtml#000007

Das Verfahren muss streng genommen zweimal durchlaufen werden, wenn die Vorspannung exakt sein soll, weil im ersten Durchgang die Verformung der verschraubten Komponenten nicht berücksichtigt wird. Also erst die Verkürzung der Verschraubung separiert ermitteln und Spannung im Schraubenschaft notieren. Nun Verschraubung auf Kollision einbauen und mit Schrumpfkontakten versehen. Eine Analyse durchführen und Spannung im Schraubenschaft ermitteln, die jetzt etwas kleiner ist. Dreisatz anwenden und die Verkürzung der Verschraubung sowie die Kollision anpassen. Jetzt solle die Vorspannung stimmen. Als Verschraubungselement ist übrigens eine Bauteil bestehend aus drei Zylindern ausreichend und üblich: Erster Zylinder hat den Durchmesser der Scheibe und die Höhe des Schraubenkopfes samt Scheibe, zweiter Zylinder stellt den Schraubenschaft dar und der dritte Zylinder hat den Durchmesser der Scheibe und die Höhe der Mutter samt Scheibe. Die Verschraubung in der Animation meines oben verlinken Beitrags ist also viel zu ausführlich modelliert und sollte nur das Funktionsprinzip zeigen.

Zitat:
Original erstellt von Stef86:
... Könnte mir das Nastran In-CAD weiterhelfen ...

Nastran In-CAD hat ein eigenes Element für eine Schraubverbindung, ist aber insgesamt wesentlich anspruchsvoller als die Belastungsanalyse von IV:

https://www.youtube.com/watch?v=PlAZz0TbZbE

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Michael Puschner
Autodesk Inventor Certified Expert
Autodesk Inventor Certified Professional
Mensch und Maschine Scholle GmbH

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@Michael, so habe ich das auch gemacht.
Mit der Vorpannkraft, da gabs irgendwo etwas, so und so viel mal die Zugfestigkeit der Schraube. Basierend aud das wird das Anzugsmoment ermittelt. Nicht umgekehrt. Glaube 0,8 oder so. Schlussendlich wird die Schraubverbindung ausgelegt, wie viel Kraft, dann wie viele Schrauben welcher Groesse und welcher Klasse. Erst dann wird basierend auf der Vorspannkraft, Reibung und Schraubengroesse/Klasse das Moment ermittelt. Das Ganze ist auch unabhaengig davon, was fuer Material du verschraubst. Sprich Alu oder Stahl oder was auch immer.
Reibung dann abhaengig von Oel, Verzinkt/nicht verzinkt usw.

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alle Räder stehen still, wenn Kinematiks starker Arm das will

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