Naprężenia montażowe w środowisku Simcenter Multiphysics
Simcenter Multiphysics zapewnia możliwość wykonania analiz wytrzymałościowych, temperaturowych, jak również w pełni sprzężonych dwukierunkowych jak na przykład analiz termiczno – mechanicznych. Program wykorzystuje znakomite narzędzia do krokowego (sekwencyjnego) modelowania pracy konstrukcji przy użyciu metody elementów skończonych, które są niezwykle istotne podczas odwzorowania rzeczywistej pracy konstrukcji. Sekwencyjne modelowanie w środowisku Simcenter zaprezentowano na przykładzie połączenia śrubowego. Podczas dokręcania śrub powstają naprężenia montażowe. Naprężenia te tworzą się w wyniku korygowania różnic wymiarowych łączonych elementów konstrukcji. Należy uwzględnić ważny czynnik, a mianowicie, że stan dokręcenia jednej z śrub jest przekazywany na konstrukcję i ma on istotny wpływ podczas dokręcania kolejnych śrub, a co za tym idzie, na końcowe naprężenia montażowe w różnych miejscach konstrukcji.
Obliczenia wytrzymałościowe konstrukcji związane z dokręceniem śrub – przypadek montażowy, przeprowadzono na przykładzie połączenia śrubowego pomiędzy kołnierzem a obudową pompy. Dla celu analizy model został uproszczony, ujmując to kolokwialnie, do pewnego wycinku „tortu” (rys.1) .
Rys. 1. Uproszczony model MES połączenia śrubowego (pompa wraz z kołnierzem)
Z poziomu pliku obliczeniowego w pliku części idealizowanej, przygotowano odpowiednio uproszczoną geometrię analizowanego modelu. W skład przygotowanej geometrii wchodził podział śruby na cztery segmenty (rys. 2). Zabieg ten umożliwia w późniejszej fazie przyłożenie siły wynikającej z dokręcenia śruby oraz nałożenie siatki sześciościennej (Hexa). Operację tę powtórzono analogicznie dla wszystkich pozostałych śrub. Dodatkowo wykonano rzut dwóch krawędzi należących do kołnierza w celu wykorzystania ich do podzielenia ścianki obudowy pompy. Analogiczny proces powtórzono dla krawędzi zewnętrznych nakrętek, które zrzutowano i podzielono ścianki należącej do kołnierza (rys. 3). Proces ten wykonano w celu nadania prawidłowego działania kontaktu pomiędzy konkretnymi powierzchniami.
Rys. 2. Podział śruby na cztery segmenty
Rys. 3. Podział ścianki zrzutowanymi krawędziami
Z poziomu pliku …fem w strukturze plików obliczeniowych przygotowano odpowiednią siatkę obliczeniową. Tak jak wspominano wcześniej, na śruby oraz nakrętki nałożono elementy sześciościenne (Hexa), rys. 4.
Rys. 4. Siatka sześciościenna na obiektach (nakrętki oraz śruby)
W celu zasymulowania warunków brzegowych dla symetrii cyklicznej na powierzchniach zewnętrznych pompy i kołnierza nałożono zależną siatkę 2D, z opcji symetrycznego jej nakładania (rys.5).
Rys. 5. Siatka zależna 2D – typ symetryczna
Dla lokalnego zagęszczenia siatki na wybranych krawędziach zastosowano narzędzie sterowania siatką, typ -> rozmiar na krawędzi (rys. 6).
Rys. 6. Sterowanie siatką na wybranych krawędziach
Na kołnierz oraz obudowę pompę nałożono siatkę objętościową składającą się z elementów czworościennych (tetra), rys. 7.
Rys. 7. Siatka objętościowa czworościenna 3D na obiektach pompy i kołnierza
Z poziomu pliku … sim w strukturze plików obliczeniowych przygotowano rozwiązanie strukturalne przy użyciu solwera Simcetner Multiphyscis (rys. 8).
Rys. 8. Rozwiązanie strukturalne utworzone przy użyciu solwera Simcetner Multiphyscis
W pliku sim odebrano wybranym powierzchniom odpowiednie stopnie swobody (rys. 9).
Rys. 9. Odebranie stopni swobody na wybranych kierunkach
W celu zasymulowania rzeczywistej pracy konstrukcji i analizy na wycinka „tortu” należy uwzględnić warunek symetrii cyklicznej dla obudowy pompy oraz kołnierza. Przykład zastosowania symetrii cyklicznej dla pompy przedstawia rys. 10. Całkowicie przyłożoną symetrię cykliczną dla dwóch obiektów przedstawia rys. 11.
Rys. 10. Przypisanie warunku symetrii cyklicznej dla pompy
Rys. 11. Warunek symetrii cyklicznej dla kołnierza i obudowy pompy
Wykorzystano połączenie przy użyciu kontaktu klejonego (połączenie na sztywno) powierzchni śruby (miejsce występowania gwintu) z pompą oraz śruby z nakrętką (rys. 12). Analogiczną czynność powtórzono dla kolejnych śrub.
Rys. 12. Połączenie klejone (na sztywno) pomiędzy śrubą (gwint) a pompą oraz pomiędzy nakrętką a śrubą
Dla odwzorowania przemieszczania się obiektów po sobie od docisku śruby zasymulowano kontakt z współczynnikiem tarcia wynoszącym 0.2 mm, pomiędzy powierzchnią pompy a kołnierzem oraz powierzchnią podkładki (3x) i kołnierzem (rys. 13).
Rys. 13. Kontakt nieliniowy pomiędzy powierzchnią kołnierza i pompą oraz powierzchnią nakrętki (3X) i kołnierzem
Rys. 14. Wstępne odkształcenie w śrubie
W śrubie zasymulowano wstępne odkształcenie śruby wynoszące 0.001 mm. Docelowo można zadawać również przemieszczenie oraz siłę docisku wynikającą z momentu dokręcenia (rys. 14).
Utworzono 3 kroki obliczeniowe (sekwencję), w których każda po sobie następuje w określonym czasie, co będzie symulowało efekt odkształcenia śruby kolejno po sobie (rys. 15).
Rys. 15. Ustawienie 3 kroków (sekwencji) analizy
Dodatkowo zdefiniowano parametry kontaktu nieliniowego w solwerze rozwiązania (rys. 16 a-b).
Rys. 16a. Ustawienie parametrów kontaktu
Rys. 16b. Ustawienia parametrów kontaktu
Dla tak ustawionych parametrów przeprowadzono obliczenia. Efektem końcowym było uzyskanie w odpowiednich krokach naprężeń montażowych oraz przekazywanie do kolejnego kroku stanu, który pozostał z poprzedniego kroku obliczeń. Rozkład naprężeń dla kolejno zaistniałych kroków przedstawiono na rys. 17.
Rys. 17. Naprężenia Von – Misesa na konstrukcji dla kolejno dociskanych śrub, oraz naprężenia Von Misesa na śrubach w kroku 3
opracował
Marek Rudy
marek.rudy@gmsystem.pl