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Schraubenverbindungen mit MDesign Bolt und Multibolt schnell und sicher berechnen

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Auslegung und Nachweis von Schraubenverbindungen nach VDI 2230

Schraubenverbindungen sind wichtige aber oft kritische Konstruktionselemente im Maschinenbau. Sie sind nicht nur weit verbreitet , sondern oft auch hoch beansprucht und verlangen deshalb nach besonders leistungsfähigen Analyse- und Dimensionierungswerkzeugen.

Dazu bietet sich die Bibliothek MDesign Bolt an, die Mdesign Mechanical mit zusätzlicher Entwurfsberechnung nach VDI 2230, exzentrischen Belastungsfällen, eigenen definierbaren Schraubengeometrien, Hohlschrauben-Berechnung, Verspannung mit bis zu fünf verspannte Bauteilen und um Berechnungen bei höheren Temperaturen erweitert.

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Sicherheitsaspekte machen die Gestaltung von Schraubenverbindungen zu einer besonders sensiblen Aufgabe in der Konstruktion. In der VDI-Richtlinie 2230 werden seit Jahren Verfahren zur Vordimensionierung von Schraubennenndurchmessern und zur systematischen Nachrechnung von Schraubenverbindungen veröffentlicht und periodisch überarbeitet.

Der VDI entwickelte in seiner Normungsarbeit mit der VDI-Richtlinie 2230 eine Berechnungsmethodik, die das Verhalten einzelner Schrauben sowohl unter Montagebedingungen als auch unter betrieblich verursachten Belastungen genau beschreibt. Auf dieser Basis berechnen viele Konstrukteure mit MDesign Bolt bereits seit zwei Jahrzehnten 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 sind dabei zunächst einmal die Einzelbelastungen zu ermittelt, weil die Belastungen meist nur in ihrer Summe bekannt sind.

Die Berechnungssoftware übernahm die vom VDI erarbeiteten Grundlagen und ergänzte sie mit zahlreichen praktischen Hilfen. Der gesamte Berechnungsablauf basiert auf dem Modell einer Einschraubenverbindung. Dabei werden alle von außen auf eine Gesamtverbindung einwirkenden Belastungen als bekannt vorausgesetzt und auf eine Schraube reduziert.

Zahlreiche Hilfestellungen und Tabelleninformationen wie für Anziehfaktoren, Gleitreibungszahlen und Faktoren für Lastangriffe stehen direkt bei der Eingabe bereit.

Neben der klassischen Einschraubenverbindung lassen sich auch symmetrische Mehrschraubenverbindungen, wie kreisförmige Kupplungsflansche berechnen. Bei der Schraubenberechnung werden zentrische und exzentrische Verspannungen und Belastungen berücksichtigt. Die Technologie- und Werkstoff-Datenbank ermöglicht es, Schraubenabmessungen, verschiedene Festigkeitsklassen und Werkstoffe der verspannten Teile direkt in die Eingabeseite einzulesen. Sie lassen sich anwenderspezifisch an andere Normen, Abmessungen und Werkstoffwerte anpassen. Sämtliche Bedingungen und Ergebnisse sind in der automatisch erstellten Berechnungsdokumentation enthalten mit der dann auch die Nachvollziehbarkeit und Nachweispflicht professionell erfüllt ist.

Berechnen von Mehrschraubenverbindungen nach VDI 2230 Blatt 2

Mit pc Bolt hatte Tedata bereits Ende der 90er Jahre eine Software der TU Berlin übernommen, die alle an einer Verbindung angreifenden Belastungen den beteiligten Einzelschrauben zuordnet. Entgegen den ermittelten Gesetzmäßigkeiten setzte sich in der Praxis zum Herleiten der Schraubeneinzelbelastungen allerdings die Methode der Finiten Elemente (FEM) durch. Weil die damit verbundene ModelIierung und Berechnung aber für jeden Anwendungsfall gesondert erfolgen muss, verursacht diese Vorgehensweise einen hohen Aufwand.

Erstmals standardisiert MDesign Multibolt nun die Finite Elemente Analysen und verknüpft sie für zahlreiche Standardfälle mit den analytischen Berechnungsmethoden der VDl 2230 zu problemorientierten Lösungsansätzen. Auf diese Weise erhält der Konstrukteur schon in der Entwurfsphase innerhalb weniger Minuten wertvolle Auslegungsdaten, für die man bisher Stunden oder Tage benötigte.

Mit dieser Software lässt sich die Mehrschraubenverbindung parametrisch beschreiben und anschließend die am höchsten belastete Einschraubenverbindung innerhalb des Schraubenfeldes bestimmen. Für die ausgewählten Schraubenfelder übernimmt Multibold den Großteil der aufwändigen und zeitintensiven Modellierung der Berechnungsaufgabe, die sonst anspruchsvolle FEM-Software erfordert.

Grundlage für die Schraubenberechnung ist die VDI Richtlinie 2230 Blatt 2. Man verwendet die methodischen Ansätze aus Blatt 2 um das Schraubensystem in eine nach Blatt 1 berechenbare Einschraubenverbindung zu überführen und normgerecht nachzuweisen.

Konstrukteure orientieren sich bei der anforderungsgerechten Dimensionierung lösbarer und nicht lösbarer Komponenten an Berechnungsverfahren, die eine Beziehung zwischen Werkstoffeigenschaften, Bauteilabmessungen und zu erwartenden Belastungen herstellen. Allerdings haben die standardisierten Berechnungen dort ihre Grenzen, wo sich neben den Abmessungen auch Form und Einbausituation ändern. Denn die Gesetzmäßigkeiten sind dann mit Hilfe empirisch ermittelter Zusammenhänge nur noch in Ausnahmefällen darstellbar.

Deshalb stellt Mdesign Multibolt Berechnungsmodelle bereit, die auf FEM beruhen und neben den Dimensions- auch Gestalt- und Belastungsvarianten einschließen. Die Software koordiniert den Ablauf einer FEM Analyse von der Geometrieberechnung und der Erzeugung der Elemente, Netze und Kontaktflächen über die Durchführung der numerischen Berechnung bis hin zur Darstellung und Analyse der Ergebnisse. Parametrisierte und featurebasierte Finite Objekte, die speziell für jede Anwendungsart entwickelt werden, sind die Basis für die anschließende Modellbildung. Die dabei entstehenden Netze sind reproduzierbar, vorab verifiziert und über Objektgrenzen hinweg konsistent. Sie haben den Vorzug jederzeitiger Nachprüfbarkeit und die Voraussetzung behördlicher Zertifizierung.

FEM in standardisierte und für die Normung und Zertifizierung reproduzierbare Konstruktionswerkzeuge zu integrieren, geht über die heute praktizierte individuell geprägte Nutzung dieser Technologie weit hinaus. Dieser Ansatz unterstützt jedoch die Auffassung des VDI, 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 FEM beim Berechnen von Mehrschraubenverbindungen in vier Detaillierungsgraden vorgeschlagen. MDesign Multibolt greift diese Vorschläge auf und stellt für die wichtigsten Verbindungskonfigurationen praktische Lösungen bereit. Nicht nur am Beispiel der Berechnung von Mehrschraubenverbindungen zeigt sich deutlich, dass die analytischen Verfahren ohne die flankierende Hilfe der Numerik nicht mehr auskommen werden.

Andererseits kann man aber auch auf analytische und 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 zusammenführt.

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