ИЗЧИСЛИТЕЛЕН МОДЕЛ НА СКРЕПИТЕЛНО ВИНТОВО СЪЕДИНЕНИЕ В СРЕДАТА НА SOLIDWORKS SIMULATION

Препис

1 ИЗЧИСЛИТЕЛЕН МОДЕЛ НА СКРЕПИТЕЛНО ВИНТОВО СЪЕДИНЕНИЕ В СРЕДАТА НА SOLIDWORKS SIMULATION Стилиян Николов Резюме: В статията са разгледани различните възможности за съставяне на изчислителен модел на винтово скрепително съединение при инженерни анализи със САЕ системата SolidWorks Simulation. Направен е сравнителен анализ на резултатите, получавани от разработените различни изчислителни модели. Дадени са препоръки за използване на разработените модели при определяне на напреженията в елементите на винтовите съединения. Ключови думи: скрепителни винтови съединения, изчислителен модел, САЕ системи, SolidWorks Simulation. 1. Въведение Скрепителните винтови съединения намират широко приложение в конструкцията на различни машиностроителни изделия. Съгласно [2] при пресмятането им са възможни следните три случая: съединението е образувано (предварително затягане) и след това е натоварено с външен товар; затягането на съединението се извършва без действие на външна сила; затягането на съединението се извършва под действие на външна сила. Първият случай е най-важен и отговаря на работното състояние на скрепителните винтови съединения. При извършването на различни инженерни анализи, възниква въпросът за представяне на предварителното затягане във винтовите съединения и определяне на предизвиканите от него напрежения в елементите на съединението. Тук ще бъдат разгледани някои въпроси свързани с представянето на предварителното затягане и геометрията на скрепителните елементи в изчислителните модели на скрепителните винтови съединения при инженерни анализи в средата на САЕ системата SolidWorks Simulation. За целите на работата ще се използват получените в [2], резултати от аналитичното изчисляване на скрепително винтово съединение, както следва: диаметър на болтовете М30; момент на затягане на болтовете 320[Nm]; сила на предварителното затягане 60000[N]. В изследванията е използван 3D модел на съединение Болт - Гайка М30. Елементите на съединението са от стандартна библиотека SolidWorks Toolbox, както следва: Болт ISO 7412 M30-80; Гайка ISO 4030 M

2 2. Представяне на предварителното затягане и винтовите повърхнини в изчислителния модел на винтово скрепително съединение При изследване на скрепителни винтови съединения с предварително затягане от съществено значение за разработването на изчислителният модел са два основни фактора: Симулирането на предварителното затягане във винтовите съединения; Представянето на винтовите повърхнини в геометричните модели на скрепителните елементи. Една възможност за симулиране на предварителното затягане е разгледана в [1], където натоварването от предварителното затягане е симулирано чрез топлинно натоварване (деформиране) на елементите на съединението. Тук ще бъдат разгледани някои други възможности за симулиране на това натоварване, като се отчитат възможностите на инструментариума за налагане на ограничения и връзки между елементите на съединението предоставян от SolidWorks Simulation, които са подробно описани в [4]. В настоящото изследване са използвани: Връзки между елементите Connectors - Болт Bolt - използва се за симулиране на винтови съединения в изчислителните модели на изследваните изделия. - Твърда връзка Rigid connector - задава връзка, която не позволява промяна на разстоянието между повърхнините на две тела и ги деформира заедно. Ограничения между елементите Fixture - On cylindrical face - задава ограничения на преместванията в радиално, аксиално и периферно направление за цилиндрична повърхнина. - Use reference geometry - използва справочна геометрия за задаване на ограничения. Въпросът с представянето на винтовите повърхнини в геометричните модели на скрепителните елементи е подробно разгледан в [3]. Отчитайки направените там разглеждания винтовите повърхнини в изследването ще се представят по един от следните начини: Козметично Cosmetic При козметичното представяне винтовите повърхнини се заменят с цилиндрични, а резбите се означават съгласно приетите стандарти или с използване на подходящи текстури. Поддържа се от SolidWorks Toolbox. Схематично Schematic При схематичното представяне винтовите повърхнини се представят чрез последователно разположени успоредно един на друг дискове имитиращи винтовата повърхнина. Поддържа се от SolidWorks Toolbox. ПълноFull 533

3 При пълното представяне се моделират напълно винтовите повърхнини в елементите на съединението. Изисква допълнително редактиране на моделите предоставяни от SolidWorks Toolbox. Табл. 1 Представяне на винтовите повърхнини и предварителното затягане Представяне на винтовите повърхнини Симулиране на предварителното затягане Connectors Bolt Ограничение имитиращо винтово съединение с осева затягаща сила 60000[N] Козметично Cosmetic Схематично Schematic Пълно Full Вариант 1-1 Вариант 1-2 Вариант 1-3 Connectors Rigid connector Твърда връзка между цилиндричните повърхнини на болта и гайката Fixture On cylindrical face Преместване между цилиндричните повърхнини на болта и гайката във всички направления 0[mm] Fixture Use reference geometry Преместване между цилиндричните повърхнини на болта и гайката във всички направления 0[mm] Fixture Use reference geometry Преместване между винтовите повърхнини на болта и гайката във всички направления 0[mm] Вариант 2-1 Вариант 2-2 Вариант 2-3 Вариант 3-1 Вариант 3-2 Вариант 3-3 Вариант 4-1 Вариант 4-2 Вариант 4-3 Вариант 5-1 Вариант 5-2 Вариант 5-3 Силата на предварителното затягане 60000[N] съгласно [2], е приложена равномерно в осово направление към челните повърхнини на болта и гайката, с които те контактуват със свързваните елементи. 534

4 Преместването на изчислителния модел в пространството е ограничено чрез фиксиране на свободните челни повърхнини на болта и гайката. Вариантите на изчислителния модел, разработени с отчитане на направени те разглеждания и спецификата на скрепителните винтови съединения с предварително затягане са показани в таблица Изследване вариантите на изчислителния модел в средата на САЕ системата SolidWorks Simulation При изследването на различните варианти са използвани следните системни настройки: Global contact - No Penetration; Friction 0,05. На фиг.1 са дадени параметрите на генерираните мрежи от крайни елементи и самите мрежи за трите начина на представяне на винтовите повърхнини. Фиг. 1 Параметри на генерираните мрежи от крайни елементи Тъй като, във вариант 5 като справочна геометрия са използвани винтовите повърхнини на елементите, а при козметичното представяне, такива липсват не е възможна дефиниране на вариант 5-1 от таблица 1. За оценка на резултати от анализа е използвано, аналитично определеното напрежение на опън в болта, предизвикано от силата на предварителното затягане, което е 111 [MPa]. Сравнение на получените за различните варианти еквивалентни напрежения с определеното аналитично са показани на фиг.2. Резултатите получени при анализа за вариант 1 се различават съществено (в пъти) от аналитичните. Това се дължи на заложените в системата изчислителни схеми и алгоритми насочени към симулиране на натоварването от самото съединение върху свързаните детайли при прилагане на използваните в този вариант ограничения. 535

5 Фиг. 2 Резултати получени от анализа При вариант 2 разликата е съществена при пълното представяне н а резбовите повърхнини (вариант 2-3). Резултатите получени за варианти 3 и 4 са идентични, тъй като въпреки използваните различни методи за задаване на ограниченията в контактните повърхнини на елементите, крайният резултат на практика е идентичен. При вариант 5 имаме най-пълно съответствие между наложените ограничения в изчислителният модел и реалната връзка между елементите на съединението. Отклоненията на получените резултати от аналитичните са в приемливи от инженерна гледна точка граници и се дължат на използваните за получаването им методи и допускания. Вариант 4-1 Вариант 4-2 Вариант 4-3 Вариант 5-2 Вариант 5-3 Фиг. 3 Разпределение на получаваните еквивалентни напрежения На фиг. 3 е показано разпределението на получаваните в някои от вариантите еквивалентни напрежения в интервала от 0 до 20 [MPa]. За всички изследвани варианти при козметичното представяне на винтовите повърхнинни, получаваните напрежения са само в главата на болта и гайката. При схематичното и пълното представяне на винтовите повърхнини се получава информация и за напрежения в стеблото на болта и в навивките на резбата на гайката и болта. 536

6 537 Резултати: Най-подходящи за изследване на винтовите съединения са изчислителните модели представени във варианти 3-2, 4-2, 5-2 и 5-3. Те дават възможност за достоверна оценка на получаваните в съединението напрежения. 4. Изводи Разгледани са възможностите за съставяне на изчислителни модели на скрепителни винтови съединения в средата на CAE системата SolidWorks Simulation. Анализирани са резултатите получени при изследване на разработените изчислителни модели в средата на CAE системата SolidWorks Simulation. Определени са най-подходящите изчислителни модели за изследване на скрепителни винтови съединения в средата на CAE системата SolidWorks Simulation. Литература: 1. Алямовский А. и др., SolidWorks Компьютерное моделирование в инженерной практике, ISBN , БХВ - Петербург, Христов Д. и к-в, Пресмятане и конструиране на машинни елементи, Техника, София, Чакърски Д., Ив. Шопов, Ст. Николов, Подход за моделиране на винтови повърхнини, използвани при компютърно симулиране на процеса автоматично винтозавиване, Научни известия на НТС по Машиностроене, бр. 10(93), ноември 2006г. ( ) 4. SolidWorks Simulation Help, Dassault Systemes, 2012 COMPUTATIONAL MODEL OF THE FASTENING SCREWS CONNECTIONS IN THE MIDDLE OF SOLIDWORKS SIMULATION Stiliyan Nikolov Abstract: In this paper the possibilities offered by SolidWorks Simulation CAE system for presentation of fastening screw in the computational models are discuss. A comparative analysis of the results obtained by different computational models made. Recommendations for the use of the developed models to determine the stresses in the elements of screw connections are given. Данни за автора: Стилиян Николов Николов, доцент доктор инж., катедра АДП при МФ, Технически Университет София, Р. България, София, бул. Кл. Охридски 8, те л , е-mail: st_nikolov2@abv.bg