Übung 6: Pleuel. Umwelt-Campus Birkenfeld. Lernziele:

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1 Übung 6: Lernziele: Geometrieoptimierung Flächenteilung Symmetrierandbedingungen Zwangsbedingungskonflikte Zylindrische Randbedingungen Schraubenvorspannung 1

2 der Hochs chul e T r ier 1. Bauteilstruktur Ein aus dem Stahl wird im kopf über den Kolbenzapfen durch eine Betriebslast von F B = 20 KN in axialer Richtung belastet. Der fuß wird durch zwei Schrauben M16 mit der Vorspannkraft F v = 40 KN je Schraube auf den Kurbelzapfen vorgespannt. 2. Geometrie und Material Starten Sie NX 10 und erzeugen Sie eine neue Teiledatei. Laden Sie die Datei.stp aus dem Verzeichnis \\cad-server\cae\ fea\finele1\vorlagen. Rufen Sie Advanced Simulation auf und speichern Sie alle Teile in Ihr Arbeitsverzeichnis. Weisen Sie dem Körper aus der Materialbibliothek das Material Steel zu. Vernetzen Sie probeweise den Körper durch Tetraeder-Elemente mit der Automatischen Elementgröße. Man erkennt, dass im Bereich der Bohrungen und des Gewindes aufgrund der kleinen Abmessungen eine unnötig feine Unterteilung des Netzes erfolgt. Löschen Sie anschließend die Vernetzung wieder. F v F B Kurbelzapfen Kolbenzapfen flansch F v 2

3 3. Geometrieoptimierung Die Bohrungen in der stange, die Gewinde in den Schraubenlöchern sowie alle Nuten und Fasen sind für die Spannungsauswertung ohne Bedeutung, erhöhen aber den Berechnungsaufwand und sollten daher entfernt werden. Wechseln Sie hierzu in die idealisierte Geometrie und heben Sie den Körper an. Wählen Sie Geometrie idealisieren, selektieren Sie Körper als Typ und Entfernte Flächen als Auswahlschritt. Setzen Sie die Häckchen bei Bohrungen und Verundungen. Mit OK werden alle Formelemente, die kleiner als die angegebenen Mindestmaße sind, automatisch entfernt. 3

4 Das Gewinde und die Langnut müssen noch manuell entfernt werden. Aktivieren Sie mit Schnittansicht und positionieren Sie diese in der Mittelfläche des Bauteils. Wählen Sie mit die Option Formelement an Geometrie entfernen. Selektieren Sie die Flächen der Gewindeflanken und die des Gewindekerns (insgesamt 4 Flächen). Nach Bestätigung mit wird das Gewinde aus der idealisierten Geometrie entfernt. Nutzen Sie diesen Befehl um ebenso die Nut zu entfernen. Um die Nut auszuwählen, selektieren Sie eine Seitenflächen und anschließend alle dazu tangentialen Flächen. Hinweis: Es genügt, die Formelemente an dem Körper zu entfernen, der später vernetzt wird. die 4

5 Da die Axialkraft im kopf auf die obere Hälfte der Innenfläche wirkt, muss die Innenfläche geteilt werden. Legen Sie zuerst mit eine Bezugsebene mittig zur Bohrung an. Wählen Sie anschließend Fläche teilen und teilen Sie mit OK die Innenfläche. Die Vorspannkraft soll nur im Gewindebereich der Schrauben aufgebracht werden. Dazu muss die Innenfläche der Bohrung geteilt werden. 5

6 Im letzten Schritt soll die Symmetrie des s für die Berechnung berücksichtigt werden. Wählen Sie mit dem Schalter die Option Körper teilen. Selektieren Sie über Auswahlschritte den Körper und teilen Sie diesen in der Symmetrieebene entlang der Achse. Stellen Sie nach dem Teilen den Auswahlfilter auf Volumenkörper und blenden Sie den nicht benötigten Teil aus. 4. Vernetzung Vernetzen Sie das Halbmodell durch Tetraeder-Elemente mit Zwischenknoten (CTETRA10). Verwenden Sie zur Vernetzung die Hälfte der vom Programm ermittelten Elementgröße. 6

7 4. Randbedingungen und Analyse Geben Sie die Symmetrierandbedingungen mit vor und spannen Sie die untere Flanschfläche des s ein. Die Betriebskraft wird als Lagerkraft mit auf die Bohrung des auges sinusförmig über 90 verteilt. Geben Sie die Schraubenvorspannung als axiale Kraft auf die Gewindefläche der Bohrung. Mit Rechtsklick im Simulationsnavigator kann die Darstellung der Randbedingungen verändert werden. Zur besseren Darstellung der Ergebnisse lässt sich im Menüfeld Ansicht mit dem Schalter ein Längsschnitt durch das Modell definieren, der mit ein- und ausgeblendet wird. 7

8 5. Ergebnisauswertung Starten Sie die Berechnung. Stellen Sie die Vergleichsspannung als Konturplot zusammen mit der unverformten Kontur dar. Animieren Sie mit den Konturplot. Mann erkennt, dass sich die augen in unrealistischer Weise verformen, da die als starr angenommenen Zapfen im Modell nicht berücksichtigt werden. Dies führt zu überhöhten Spannungen im auge. Um das Modell realitätsnah abzubilden, lagern Sie die Innenflächen der augen in Querrichtung und führen Sie eine erneute Analyse durch. Vergleichen Sie die Ergebnisse der Verformung und der Spannung. Hinweis: Für ein genaue Berechnung sind nichtlineare Randbedingungen erforderlich. 8

9 6. Schraubenvorspannung Über die Schrauben wird das mit dem Zapfen im fuß verspannt. Wird die Vorspannkraft einfach als äußere Last auf das Modell aufgebracht werden, lässt sich damit die Schraubennachgiebigkeit und damit der Einfluss einer überlagerten Betriebslast auf die Schraubenvorspannkraft nicht erfassen. Eine genauere Modellierung ergibt sich, wenn die Schrauben durch Balkenelemente abgebildet werden und die Vorspannkraft durch den Lasttyp Bolzenvorspannung modelliert wird. Erstellen Sie dazu in der Simulationsdateiansicht auf der Ebene der idealisierten Datei ein Neues FEM und Simulation mit dem Lösungsnamen Solution 2. Vernetzen Sie das Modell erneut und geben Sie die Randbedingungen und die Betriebslast vor. Da in diesem Modell die Axialkraft durch die Schrauben abgetragen wird, erfolgt hier keine Einspannung der Flanschfläche des s. Die Modellierung der Schraube erfolgt durch gelagertes ein Balkenelement, welches mit den Volumenelementen des s starr verbunden wird. 9

10 Erzeugen Sie mit 1D-Verbindung starre Elemente vom Typ RBE2 zwischen der Innenfläche der Bohrung und dem Mittelpunkt der oberen Bohrungskante, welcher über den Punktdialog mit Kugelmittelpunkt erzeugt wird. Erzeugen Sie mit einen Punkt in der Mitte der unteren Bohrungskante und verbinden Sie die Mittelpunkte der 1D-Verbindungen mit einem Balkenelement vom Typ CBAR, das die Schraube darstellt. Definieren Sie den Schraubenkernquerschnitt mit einem Durchmesser von 13,6 mm und weisen Sie der Schraube das Material Steel zu. Wechseln Sie auf die Simulationsdateiebene und spannen Sie das Balkenelement am freien Ende ein. 10

11 Bringen Sie die Schraubenkraft mit Bolzenvorspannung Sie die Berechnung und animieren Sie das Ergebnis. auf das Balkenelement auf. Starten Es wird deutlich, dass die vorhandene Querlagerung in der Fläche des Kurbelzapfens für diesen Lastfall nicht realistisch ist, da diese ein Eindringen des s in den Kurbelzapfen ermöglicht. Ersetzen Sie daher die Querlagerung mit durch eine Zylindrische Zwangsbedingung und sperren Sie den radialen Freiheitsgrad. 11

12 Bei Verwendung von Randbedingungen mit unterschiedlichem Bezugskoordinatensystem kann es an gemeinsam gelagerten Kanten zu Zwangsbedingungskonflikten kommen, was durch ein Warnsymbol im Simulationsnavigator angezeigt wird. Durch Rechtsklick wird in der Auswahl mit Konflikte Lösen der Konflikt-Auflösungsmanager gestartet. Mit einem weiteren Rechtsklick kann die gültige Randbedingung gewählt oder neu definiert werden. Wählen Sie eine der beiden ersten Optionen. 12

13 Starten Sie eine erneute Analyse und vergleichen Sie die Ergebnisse. Wo tritt die maximale Vergleichsspannung auf? Die Schraubenkraft lässt sich unter Stabergebnisse-Element mit Axialkraft NXX im Nachbearbeitungsnavigator darstellen. Wie groß ist die Erhöhung der Schraubenkraft infolge der Betriebslast? 13