Software Schraubenverbindungen mit MDesign Bolt und Multibolt schnell und sicher berechnen

Redakteur: Brigitte Michel

Dem Konstrukteur gibt das umfangreiche Softwarepaket von MDesign eine Vielzahl von Berechnungsmethoden und Berechnungshilfen an die Hand, die seine Arbeit wesentlich erleichtern. Eine einfache Anwenderoberfläche erleichtert das Bedienen. Zahlreiche Tabellen und Nachschlagewerke sowie aktuelle Zulieferer und Produktinformationen stehen zur Verfügung.

Firmen zum Thema

Auf die Schraubenverbindungen an Windkraftanlagen greifen hohe Kräfte und Momente an.
Auf die Schraubenverbindungen an Windkraftanlagen greifen hohe Kräfte und Momente an.
(Bild: Michel)

Plattform für technische Informationen und Berechnungen ist der MDesign Explorer. Mit ihm erhält man Unterstützung beim Lösen der Aufgabenstellungen, sowie beim Erstellen von Ergebnisdokumenten.

Aktuelle Anwendungen und Datenbanken zum Auslegen von Maschinen- und Antriebselementen finden sich in der Bibliothek MDesign Mechanical für den Maschinenbau. Neben MDesign Gearbox und LVR integrieren sich unter anderem auch die Bibliotheken zur Getriebeentwicklung, MDesign Shaft für die normengerechte Wellenberechnung, Espresso für Berechnungen im Behälter- und Anlagenbau sowie Mdesign Bolt und Multibolt zum Auslegen von Schraubenverbindungen, nach der Richtlinie VDI-2230 Blatt 1 und dem neuen Blatt 2.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 10 Bildern

Für die Berechnung besonders wertvoll sind die umfangreiche technische Formelsammlung sowie wichtige Werkstoffkennwerte und die erforderlichen Normen.

Mit der für jedes Berechnungsprogramm, jede Informationsanwendung, jede Datenbank und jede Katalogauswahl identischen Benutzeroberfläche hat es der Konstrukteur leicht sich zurecht zu finden, auch wenn er die einzelnen Module nicht ständig nutzt. Alle Wissensobjekte, wie technische Informationen von Zulieferern, Berechnungen und Formelsammlungen, Datenbankzugriffe sowie werkseigene Dokumente und Daten sind sofort griffbereit. Denn mit dem Explorer wird ein, in den Arbeitsplatz integrierter Zugang zu Online-Informationen, Normen, Datenbanken sowie Kontaktmöglichkeiten in Forschung und Entwicklung geschaffen.

Berechnen von Maschinen- und Antriebselementen

MDesign Mechanical ist heute in vielen Unternehmen ein integraler Teil des Wissensmanagements. Die Software bietet Grundlagen und Verfahren, Optimierung durch schnelle Variantenrechnung, Offenlegung aller Berechnungsformeln und sichere Dokumentation für Nachweise. Der Benutzer erhält ausgereifte Konstruktionsgrundlagen und Berechnungswerkzeuge, die einer ständigen Weiterentwicklung unterzogen werden. Die Software für das Auslegen, Nachrechnen und Dokumentieren von Maschinenelementen basiert auf praktischen Erfahrungen und Forschungsergebnissen vieler maschinentechnischer Institute. Die Berechnungsverfahren sind durch nationale und internationale Normungsorganisationen wie DIN, ISO, VDI, oder EN abgesichert.

Basierend auf bekannten Verfahren nach DIN-Normen, VDI-Richtlinien oder auch Fachliteratur, wie den Lehrbüchern Roloff/Matek, Dubbel oder Niemann, gewährleistet die Software ein einfaches Bereitstellen und Handhaben dieser Vorschriften. Sie liefert Berechnungsverfahren und Grundlagen für Wellen, Achsen, Zapfen, Welle-Nabe-Verbindung, Träger, Schraubenverbindungen, elastische Federn, Verzahnung und Getriebe, Wälz- und Gleitlager, Riemen- und Kettentriebe, Schweißverbindungen, Klebverbindungen, Dichtungen, Lineartechnik, Bolzen und Stifte sowie Kupplungen und Werkstoffdatenbanken.

Dokumentation und Nachweispflicht erfüllen

Das Produkthaftungsgesetz, aber auch die neue EG-Maschinenrichtlinie und die Qualitätskriterien nach den ISO-Zertifizierungen weisen den Unternehmen und ihren Mitarbeitern ein immer höheres Haftungsrisiko zu. Nur wer durch sachgerechte Dokumentation den Werdegang eines Produktes nachvollziehbar macht, kann seiner Verantwortung zur Risikominimierung gerecht werden. Zum Absichern dieser Nachweispflicht stellt die Software Grafiken, Hinweise und Berechnungen, einschließlich der zugrunde liegenden Formeln und Randbedingungen zu einer Ergebnisdokumentation zusammen. Umfang und Inhalte lassen sich einfach konfigurieren. Transparenz und Nachvollziehbarkeit von Entscheidungsprozessen sind damit für zukünftige Modifikationen und Untersuchungen gewährleistet.

Mit dem optional verfügbaren Autorensystem MDesign Author lassen sich schnell und einfach werkseigene Berechnungen, Informationen und Datenbanken integrieren und so leicht abteilungs- und unternehmensweit verteilen und vereinheitlichen.

Somit sichert die Berechnungssoftware nicht nur das aktuelle und heute zu beherrschende Wissen ab, sondern erfüllt auch die Aufgaben für die erforderliche Dokumentationspflicht. Diese wird bereits durch die Produkthaftung, die Qualitätssicherung aber zunehmend auch durch die neue EG-Maschinenrichtlinie gefordert.

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.

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.

Verbindungsvarianten und Beanspruchungsarten

Die Software berechnet Außen- und Innenflansche, starre Kupplungen sowie verschraubte kreisförmige Deckel und Böden. Miteinander verbundene Balken, Platten und eckige Flansche sollen 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 sich schnell an eine gewünschte Geometrie oder Belastung anpassen lassen. Maßtabellen der wichtigen Kopf- und Stiftschrauben, Muttern und Scheiben sowie der Zugriff auf die Werkstoff-Datenbank erleichtern die Eingabe. Nicht genormte Schrauben können über ein dafür vorgesehenes Eingabemenü definiert werden.

Grundsätzlich 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 und im makrogeometrischen Raum ausgeschlossen. Es wird eine Isotropie der Werkstoffe vorausgesetzt und von einer idealen Makrogeometrie ausgegangen.

Im Gegensatz zu den speziellen FEM-Programmen bietet MDesign Multibolt den Vorteil, sämtliche Eingaben und Voreinstellungen, die Modellgenerierung, die Berechnung und die Ergebnisse nachvollziehbar und normgerecht generieren und dokumentieren zu können. Überdies erlaubt die Benutzerführung auch Anwendern ohne tiefere Kenntnisse der FEM-Methodik fundierte Analysen und Auslegungsberechnungen.

MDesign Multibolt ist eine Anwendung des ParaFEM-Konzepts, das Tedata gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Maschinenbauinformatik an der Ruhr-Universität Bochum und der Unterstützung des Landes NRW entwickelt hat. Mit ParaFEM-Modulen lassen sich Maschinenelemente und Standard-Baugruppen dimensionieren und verifizieren, die allein mit analytischen Verfahren nicht berechnet werden können.

Kern des Verfahrens ist eine Regelbasis, mit deren Hilfe aus featurebasierten Finiten Objekten und Belastungsvarianten parametrische Finite Elemente Modelle gebildet werden können. Mit konkreten Eingaben versehen, erzeugen diese Modelle die Eingabedaten für die anschließende numerische Analyse.

Die Ergebnisauswertung richtet sich in MDesign Multibolt nach der VDI Richtlinie VDI 2230 Blatt 2 für die Berechnung von Mehrschraubenverbindungen und bezieht die analytische Vorgehensweise der VDI 2230 Blatt 1 ein.

Neben der Mehrschraubenberechnung befinden sich weitere ParaFEM-Module in der Entwicklung, wie Kerben und überlagerte Kerben, konische Federn, Tonnenfedern, Blattfedern sowie eckige Platten und Flansche. Kennzeichnend für alle Berechnungen ist die Integration von analytischen und numerischen Verfahren mit aktuellen Erkenntnissen aus Normung und Praxis.

Viele Erweiterungen bei Version 2014

Ab dem Jahresbeginn 2014 ist das neue MDesign 2014 verfügbar. Das Layout wurde überarbeitet und ähnelt nun im Look and Feel den MS Office Produkten 2013. Wichtig aber ist, dass das ergonomische und einfache Benutzersystem des MDesign Explorer von der Vorgängerversion übernommen wurde. Die Anwender müssen sich somit nicht auf grundlegende Veränderungen einstellen. Zu den wichtigsten Erweiterungen zählen die neuen Module Tellerfedern und Drehfedern, die vollständige Überarbeitung des bestehenden Moduls Zahnwelle, ein neues Berechtigungssystem , das dem MDesign-Administrator die individuelle Vergabe von Benutzerrechten ermöglicht, eine optimierte Supportunterstützung, aktuelle Update-Informationen sowie neu überarbeitete Informationsseiten und Herstellerkataloge. (bm)

* Dipl.-Ing. Brigitte Michel ist Autorin der konstruktionspraxis.

(ID:42445969)