Předepnutý šroubový spoj v kombinaci s kontaktní úlohou je jednou z nejčastěji se vyskytujících numerických analýz v inženýrské praxi. Pomocí těchto úloh můžeme řešit například odlehnutí spojovaných ploch.
V následujících ukázkách je tato úloha řešena pomocí náhrady šroubu pomocí 1D prvků CBEAM s definovaným průřezem a absolutně tuhých prvků RBE2 nebo RBE3. Jako referenční úloha pak slouží úloha šroubového spoje se šroubem definovaným pomocí 3D prvků.
Z porovnáním deformací jednotlivých náhrad šroubového spoje je patrná podobnost chování prvků RBE3 a spoje modelovaného pomocí 3D prvků.
Definice úlohy s náhradou šroubu
Příprava modelů pro úlohu
Pro ukázkovou úlohu nám poslouží jednoduchý model dvou desek o rozměrech 60x100 mm s tloušťkou 15 mm, které jsou spojeny pomocí šroubu o průměru 20 mm.
Na obou deskách je definována 3D tažená síť prvků CHEXA(20) a je jim přiřazen běžný materiál z knihovny (STEEL). Pro dosažení rozumného výpočetního času je volena velikost elementu 5 mm, která zaručuje při použití počítačů dostupných v laboratořích KKS vyřešení úlohy během několika minut.
Náhrada šroubového spoje (Bolt Connection)
Náhrada šroubového spoje je definována v prostředí modelu *.fem pomocí funkce Bolt Connection.
V záložce Type lze zvolit:
- Spojení pomocí šroubu a matice (Bolt With Nut)
- Spojení pomocí šroubu a závitu ve spodní desce (Bolt in Tapped Hole)
- Obecné spojení pomocí RBE klecí (Spider at Juncion)
Pro náš případ pro který volíme první typ (šroub a matice) je nutné nastavit v záložkách Head a Nut středový bod (Center Point) a plochu (Face) na které bude vytvořena RBE klec. Vnější průměr (Diameter) klece je definován tak aby odpovídal vnějšímu průměru hlavy šroubu a matice.
Dalším možným způsobem výběru je volba Hole Edge, která vyžaduje na místo středového bodu výběr hrany díry a hodnotu vnějšího průměru hlavy šroubu a matice.
Náhrada vlastního těla šroubu je zvolena v záložce Shank Element pod volbou Type. Pro náš případ volíme prvek typu CBEAM, kterému přiřadíme ve fyzikální vlastnosti kruhový průřez o průměru 20 mm a materiál STEEL.
Volba prvků pro klec se provádí v záložce Spider Connection a máme na výběr z volby prvků RBE2 nebo RBE3. Pro naši ukázku postupně vyzkoušíme oba tyto prvky a následně porovnáme jejich chování. Volbu Connect Spider To Midnodes, která zajistí napojení meziuzlů ponecháme zaškrtnutou.
Prvky RBE2 a RBE3 jsou absolutně tuhé prvky a tudíž pro ně není možné definovat žádné fyzikální vlastnosti.
Definice kontaktu
Definice kontaktu se realizuje pomocí funkce Surface to Surface Contact. V záložce Type lze zvolit buď automatickou definici (Automatic Pairing), která umožní automaticky nalézt kontaktní páry podle zadané tolerance, nebo manuální definici (Manual), která vyžaduje uživatelskou definici kontaktních párů.
Pro náš příklad použijeme manuální definici kontaktních párů, které jsou v tomto případě na rozhraní horní a spodní desky.
Jako první kontaktní oblast definujeme "zdrojovou" oblast (Source Region). Jedná většinou o menší díl s jemnější sítí, který nás více zajímá. V našem příkladu kde jsou obě desky stejné volím jako Source Region spodní plochu horní desky.
Druhá kontaktní oblast je "cílová" oblast (Target Region). Tato oblast má většinou hrubší síť a jedná se o větší těleso.
Manuální definice oblastí se tvoří prostřednictvím dialogového okna Region. Je vhodné si jednotlivé oblasti pojmenovat tak abychom je později snadno nalezli (např. horni-deska-spodni-plocha a spodni-deska-horni-plocha). Pro základní definici plošného kontaktu na 3D síti není nutné nastavovat pro oblasti žádné další parametry.
Po nadefinování kontaktních párů ještě pro naši úlohu ještě nastavíme hodnotu součinitele tření (Coefficient of Static Friction) na 0,1. Hodnoty Min a Max Search Distance jsou, vzhledem k tomu že desky leží na sobě, nastaveny na vyhovující hodnotu 0 a 1 mm.
Stejně jako u kontaktních párů, tak i u kontaktu je vhodné nastavit výstižný název (záložka Name).
Definice předepínací síly ve šroubu
Velikost předepínací sílu ve šroubu volím 50 KN. Definice se provádí pomocí funkce Bolt Pre-Load. Předepnutí je možné definovat na 1D nebo 3D elementy. Vzhledem k použité náhradě pomocí 1D prvku volím první metodu (Force on 1D Element).
V záložce Model Object je nutné vybrat 1D element a v záložce Magnitude definujeme hodnotu předepnutí.
V případě, že bychom chtěli definovat stejné předepnutí na více šroubů, tak je možné vybrat šrouby najednou. V takovém případě bude na každý vybraný šroub aplikována síla zadaná v políčku Force.
Porovnání RBE2 a RBE3
Z porovnání výsledných deformací oblasti pod klecí z tuhých prvků je patrné, že při použití prvků RBE dojde k většímu vyztužení oblasti pod hlavou šroubu.
