Software zur Berechnung von Mehrschraubenverbindungen nach VDI 2230 Blatt 1 und Blatt 2

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1 Gesellschaft für technische Informationssysteme mbh Königsallee 45, Bochum Telefon , Software zur Berechnung von Mehrschraubenverbindungen nach VDI 2230 Blatt 1 Blatt 2

2 Schraubenverbindungen verlangen nach sicheren Berechnungswerkzeugen Lösbare Verbindungen zählen zu den wichtigen oft kritischen Konstruktionselementen im Maschinenbau, insbesondere die Schraubenverbindungen. Sie sind nicht nur besonders weit verbreitet, sondern in vielerlei Hinsicht auch hoch beansprucht verlangen deshalb nach besonders leistungsfähigen Analyse- 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 verbene Modellierung Berechnung aber für jeden Anwendungsfall gesondert erfolgen muss, verursacht diese Vorgehensweise einen hohen Aufwand. MDESIGN multibolt standardisiert nun erstmals die aufwendigen Finite Elemente Analysen 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 Sten oder Tage benötigte.

3 Mit der Methode der Finiten Elemente die Einzelbelastungen berechnen Bekanntlich orientieren sich Konstrukteure bei der anforderungsgerechten Dimensionierung lösbarer nicht lösbarer Komponenten an Berechnungsverfahren, die eine Beziehung zwischen den Werkstoffeigenschaften, den Bauteilabmessungen den zu erwartenden Belastungen herstellen. Allerdings haben solche standardisierten Berechnungen dort ihre Grenzen, wo sich neben den Abmessungen auch Form Einbausituation ändern. Denn die Gesetzmäßigkeiten zwischen Geometrie, Materialverhalten 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 neben den Dimensions- auch Gestalt- Belastungsvarianten einschließen. Hierbei wird die Komplexität der zu betrachtenden Bauelemente 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- Spannungsanalyse zugänglich. MDESIGN multibolt ist reproduzierbar über Objektgrenzen hinweg konsistent Zur Lösung wiederkehrender 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 der Erzeugung der Elemente, Netze Kontaktflächen über die Durchführung der numerischen Berechnung bis hin zur Darstellung Analyse der Ergebnisse. Parametrisierte 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 über Objektgrenzen hinweg konsistent. Sie verfügen damit über den Vorzug jederzeitiger Nachprüfbarkeit die Voraussetzung behördlicher Zertifizierung.

4 MDESIGN liefert konkrete Berechnungsansätze für die VDI 2230 Die Finite Elemente Methode in standardisierte für die Normung 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 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 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.

5 Die Verbindungsvarianten Beanspruchungsarten MDESIGN multibolt berechnet Außen- Innenflansche, starre Kupplungen sowie verschraubte kreisförmige Deckel Böden. Miteinander verbene Balken, Platten 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- Stiftschrauben, Muttern Scheiben sowie der Zugriff auf die Werkstoff-Datenbank von MDESIGN erleichtern die Eingabe. Nicht genormte Schrauben können über ein dafür vorgesehenes Eingabemenü definiert werden. Grsätzlich 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 im makrogeometrischen Raum ausgeschlossen. Es wird eine Isotropie der Werkstoffe vorausgesetzt von einer idealen Makrogeometrie ausgegangen. Geometrie Betriebslasten MDESIGN multibolt unterstützt folgende Verbindungsarten Schraubenanzahl Berechnungsarten Ergebnisse Innenflansche (allgemein) Innendruck, Axial- Radialkräfte, Vorspannung, Außenflansche (allgemein) Innendruck, Axial- Radialkräfte, Vorspannung, Außenflansch/ Blindflansch bzw. Fament Innendruck, Axial- Radialkräfte, Vorspannung, Innenflansch/ Blindflansch bzw. Fament Innendruck, Axial- Radialkräfte, Vorspannung,

6 MDESIGN multibolt vs. ANSYS, NASTRAN, ABAQUS schnell, reproduzierbar, wirtschaftlich Finite Elemente Programme wie ANSYS, Nastran Abaqus bieten heute ebenfalls Ansätze für die Auslegung von Mehrschraubenverbindungen. Da sie jedoch keine Lösungsbibliotheken beinhalten, erfordert jede Einbausituation ein neues Modell. Das macht diese Vorgehensweise zeitraubend sehr arbeitsaufwendig. Abhilfe schaffen hier zwar Werkzeuge wie die ANSYS Workbench, doch auch der damit verbene 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-Verb. Doch die weitere Aufbereitung der Modelle hinsichtlich Beanspruchung, Randbedingungen Materialverhalten macht diesen Zeitgewinn oft wieder zunichte 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 singuläre Netzstrukturen erzeugen, für eine Zertifizierung nur bedingt geeignet. MDESIGN multibolt bietet dagegen den einzigartigen Vorteil, sämtliche Eingaben, Voreinstellungen, die Modellgenerierung, die Berechnung die Ergebnisse nachvollziehbar normgerecht generieren dokumentieren zu können. Überdies ermöglicht die bewährte MDESIGN-Benutzerführung auch Anwendern ohne tiefere Kenntnisse der FEM-Methodik fierte Analysen Auslegungsberechnungen. Der damit verbene Qualitäts- Zeitgewinn ist ein weiterer Entscheidungsgr für MDESIGN multibolt.

7 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 der Unterstützung des Landes NRW entwickelt hat. Mit ParaFEM-Modulen lassen sich Maschinenelemente Standard-Baugruppen dimensionieren verifizieren, die allein mit analytischen Verfahren nicht berechnet werden können. Kern des Verfahrens ist eine Regelbasis, mit deren Hilfe aus featurebasierten Finiten Objekten 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 bezieht die analytische Vorgehensweise der VDI 2230 Blatt 1 ein. Neben MDESIGN multibolt befinden sich folgende ParaFEM-Module in der Entwicklung: Kerben überlagerte Kerben, konische Federn, Tonnenfedern, Blattfedern, eckige Platten Flansche. Kennzeichnend für alle Berechnungen ist die Integration von analytischen numerischen Verfahren mit aktuellen Erkenntnissen aus Normung Praxis.