Autodesk Simulation – šroubový spoj

Šroubové spoje jsou jednou z nejčastějších metod spojování strojních součástí patřících do kategorie rozebíratelných spojů. Jejich nevýhodou vzhledem k pevnostním výpočtům pomocí metody konečných prvků je relativní tvarová komplexnost. To vzhledem k frekventovanosti jejich využití způsobuje potřebu tyto součásti nějaký způsobem nahradit či zjednodušit.

Pro modelování v softwaru Autodesk Simulation Mechanical máme k dispozici tři základní varianty jak zahrnout spoj pomocí šroubů do výpočtu.

KONTAKT
V rámci této metody se spojí plochy, které by k sobě přitáhl šroubový spoj svým předpětím. Tyto plochy se poté nemůžou oddělit, čímž pádem fungují podobně jako by opravdu byly staženy dohromady. Nevýhodou je vytvoření spoje na jedné hraně a možnost výskytu extrémních napětí z důvodu lokalizace zatížení na velmi malou plochu (hranu). Výhodou je rychlost – takovéto definování spoje zabere pouze několik sekund, a pokud nás nezajímá distribuce napětí v bezprostřední blízkosti spoje, tak se jedná o přijatelnou metodu.

MODELOVÁNÍ ŠROUBU
Druhou možností je import kompletního vykresleného šroubového spoje z modeláře. Takto importovaný spoj má ovšem dvě podstatné nevýhody. První je náročnost na množství elementů sítě.

Na obr. 2 lze vidět vhodné nastavení velikostí elementů pro přijatelný popis napětí a deformací. Díky své velikosti musí být komponenty šroubového spoje rozděleny na menší elementy, čímž dochází k ještě vyššímu nárůstu celkového počtu. Pro představu: model složený pouze ze dvou součástí (potrubí) je složen z 6117 elementů. Při zahrnutí dvou šroubů dle obrázku se tento počet navýší na 84 367. U obou variant zvažujeme množství elementů v plné – objemové variantě sítě. To vše navíc při využití symetrie…

Druhou nevýhodou takto definovaného spoje je (společně s předchozí variantou pomocí kontaktů) neschopnost definování předpětí šroubů, které je téměř vždy vytvořeno. Lidově řečeno jsou tedy šrouby dotaženy velmi zlehka.

NAHRAZENÍ POMOCÍ PRUTU
Třetí a pravděpodobně ideální metodou je nahrazení šroubového spoje pomocí jednoho prutu, který má definováno dané předpětí, může se deformovat a nijak extrémně nenavýší počet elementů. Pomocí této metody dokončíme příklad započatý v minulých dílech tohoto seriálu.

Pro vytvoření spoje je k dispozici průvodce, kterého najdeme na panelu nástrojů -> mesh -> CAD additions -> bolt dle obr. 3.

Jako první si v dialogovém okně v pravé horní části zkontrolujeme, že je nastaven typ spoje „Bolt with Nut“. Dále definujeme plochy, které budou součástí spoje (kontaktní). Jako první dle obr. 4 plochu pro hlavu šroubu.

Další výběr reprezentuje díru pro šroub (obr. 5). V tomto kroku vybíráme dvě plochy (jednu na každé součásti. Hromadný výběr lze provést pomocí přidržení klávesy shift.

Poslední výběr (obr. 6) ploch reprezentuje ukončení šroubového spoje. Je to plocha, na které bude matice (případně podložka).

V dialogovém okně máme možnost nastavit průměr šroubu a průměr hlavy šroubu a matice. To je průměr plochy, na kterou bude působit napětí na vnější ploše definované pro tyto prvky. Ve většině případů používáme podložky, takže zde zadáme průměr podložky. 

Pro nejtypičtější průměry šroubů jsou vnější průměry podložek následující:

• M4 – 9
• M5 – 10
• M6 – 12
• M8 – 16
• M10 – 20
• M12 – 24
• M16 – 30
• M20 – 37

Rozměry jsou získány z obsahového centra Inventoru (norma DIN). V našem případě máme šroub M10, takže zadáme průměr 20 mm (obr. 7).

Pokud to vyžadujeme, tak v dolní části dialogu zadáme definované předpětí (ať už jako krouticí moment, či axiální sílu). Zaškrtávací políčko v levé dolní části umožňuje po potvrzení dialogu pokračovat v definování nového spoje. U toho bude stačit již definovat pouze nové plochy vrtané díry a není potřeba zadávat vše ostatní znovu (obr. 8). Zadání dalšího podobného šroubu je tak pouze okamžikem. 

Definované šroubové spoje se zobrazí jako prutová konstrukce (obr. 9). V případě potřeby modifikace šroubového spoje jej editujeme z prohlížeče (obr. 10).

Šroubový spoj je ve stromu definován jako nová součást s elementem typu Beam. Pro úspěšné dokončení analýzy musíme definovat materiál šroubového spoje.

Tímto krokem je příklad dokončen a můžeme spustit výpočet.

Autodesk Simulation – Screwed Joint
Screwed joint is a commonly replaced element. For the need of analysis, its full simulation is unnecessary. Simulation includes a possibility to replace the screwed joint with a pre-stressed rod, which has equivalent effects on components.

Autor

• Ing. Košťál David