73403729 Studienarbeit Shane Lilley FINAL

FACHHOCHSCHULE FLENSBURG

Analyse von

Schraubenverbindungen

in Abaqus/CAE

Studienarbeit ber Verfahren zur Erstellung

geeigneter Modelle

Shane P. Lilley Matrikel-Nr. : 360818

22.09.2010

Analyse von Schraubenverbindungen in Abaqus/CAE

22. September 2010

2 | S e i t e

Inhalt

1. Vorwort .................................................................................................................................... 4

2. Schraubenverbindungen per Hand berechnen .......................................................................... 5

2.1 Einleitung ......................................................................................................................... 5

2.2 Rechenschritte fr die Auslegung der Schraubenverbindung .......................................... 6

2.2.1 R0 Ermittlung des Nenndurchmessers .................................................................. 6

2.2.2 R1 Ermittlung des Anziehfaktors .......................................................................... 7

2.2.3 R2 Ermittlung der erforderlichen Mindestklemmkraft .......................................... 8

2.2.4 R3 Krfteverhltnis und Nachgiebigkeit ............................................................... 9

2.2.5 R4 Vorspannkraftnderung ................................................................................. 11

2.2.6 R5 Ermittlung der Mindestmontagevorspannkraft .............................................. 12

2.2.7 R6 Ermittlung der Maximalmontagevorspannkraft ............................................. 12

2.2.8 R7 berprfung der Schraubengre .................................................................. 12

2.2.9 R8 Ermittlung der Lngennderungen nach der Montage ................................... 13

2.2.10 R9 Ermittlung des erforderlichen Anziehdrehmoments ...................................... 13

2.2.11 R10 Ermittlung der Spannungen ......................................................................... 14

2.2.12 R11 Ermittlung der Vergleichsspannung ............................................................ 14

2.2.13 R12 Ermittlung der Flchenpressung .................................................................. 15

2.3 Ergebnis .......................................................................................................................... 15

3. Analyse der Schraubenverbindung in Abaqus/CAE .............................................................. 16

3.1 Einleitung ....................................................................................................................... 16

3.2 Erstellen des Simulationsmodells ................................................................................... 17

3.2.1 Modellieren der Schraube ....................................................................................... 17

3.2.2 Einfgen des Modells in die Baugruppe................................................................. 18

3.2.3 Wahl und Zuweisung des Materials ....................................................................... 20

3.2.4 Steps erzeugen ........................................................................................................ 20

3.2.5 Kontaktbedingungen erstellen ................................................................................ 21

3.2.6 Vorspannung definieren ......................................................................................... 27

3.2.7 Randbedingungen definieren .................................................................................. 29

4. Alternative Modellbildung ..................................................................................................... 30

4.1 Einleitung ....................................................................................................................... 30

4.2 Idealisierung einer Schraube als Connector-Element ................................................. 30

5. Analyse der Berechnungen ..................................................................................................... 32

5.1 Direkter Vergleich Bolt-Load-Methode und Connector-Methode .......................... 32


22. September 2010

3 | S e i t e

6. Python Script zur Teilautomatisierung der Modellerstellung ................................................. 39

6.1 Beschreibung des Plug-ins ............................................................................................. 39

6.2 Installation des Plug-ins ................................................................................................. 41

Abbildungsverzeichnis ................................................................................................................... 42

Literaturverzeichnis ........................................................................................................................ 43

Anhang ........................................................................................................................................... 44

A. Quellcodes fr das Plug-In ................................................................................................. 44

A.1 screw_plugin.py ............................................................................................................. 44

A.2 screwModule.py ............................................................................................................. 47

A.3 screwDB.py .................................................................................................................... 50


22. September 2010

4 | S e i t e

1. Vorwort

Im Maschinenbau sind lsbare Verbindungen zwischen einzelnen Komponenten unerlsslich. Eine

dauerfeste Verbindung wie etwa Schweien oder Kleben ist in vielen Fllen aufgrund

montagetechnischer Schwierigkeiten nicht mglich, daher ist man in solchen Fllen auf

Schraubenverbindungen angewiesen.

Die Schraube ist das am hufigsten und vielseitigsten verwendete Maschinen- und

Verbindungselement, das gegenber allen anderen in den weitaus verschiedenartigsten Formen

hergestellt und genormt ist. Man unterscheidet Schrauben je nach Nutzung in folgenden Kategorien:

- Befestigungsschrauben fr die Herstellung von Spannverbindungen. Hier fhrt die Drehbewegung der Schraube zum Verspannen von (meist) zwei Bauteilen, d.h. kinetische

Energie wird in potentielle Energie umgewandelt. Die potentielle Energie kann fr

Funktionen wie z.B. Kompensierung eines wesentlichen Teiles der Betriebskraft in

Schraubenlngsrichtung. Reibschluss zwischen zwei Kupplungshlften, Sicherung der

Verbindung gegen Losdrehen, Abdichtung von Trennfugen genutzt werden.

- Bewegungsschrauben zum Umwandeln von Drehbewegungen in Lngsbewegungen bzw. zum Erzeugen groer Krfte, z.B. bei Spindeln von Drehmaschinen (Leitspindeln), Ventilen,

Spindelpressen, Schraubenwinden, Schraubstcken und Schraubzwingen oder zum

Umwandeln von Lngsbewegungen in Drehbewegungen (technisch selten genutzt). Das

Wirkprinzip entspricht damit dem eines Schraubgetriebes.

- Dichtungsschrauben zum Verschlieen von Einfll- und Auslaufffnungen, z.B. bei Getrieben, Lagern, lwannen und Armaturen; Einstellschrauben zum Ausrichten von

Gerten und Instrumenten, zum Einstellen von Ventilsteuerungen u.a.; ferner Messschrauben,

Spannschrauben (Spannschloss) u.a.

Im Stahlbau werden Schraubenverbindungen aus Grnden des leichteren Transports und

Zusammenbaus auf der Baustelle, z.B. von sperrigen Fachwerkkonstruktionen, oder bei schwer

zugnglichen Stellen, wo Nieten oder Schweien nicht mglich ist, angewendet. 1

Der Inhalt dieser Studienarbeit befasst sich ausschlielich mit Befestigungsschrauben. Ferner wird nur

auf die Erzeugung reibschlssiger Verbindungen zwischen zwei Kupplungshlften eingegangen.

Wenn nicht anders erwhnt, werden fr die in dieser Studienarbeit enthaltene Simulationsmodelle

Sechskantschrauben mit groer Schlsselweite und Schaft (DIN 6914) mit der Festigkeitsklasse 8.8

verwendet.

Fr die Erstellung und Analyse der FEM-Simulationsmodelle wird als Prprozessor, Solver und

Postprozessor Abaqus/CAE verwendet. Da dieses Programm keine fr den deutschen Raum

lokalisierte Version bereitstellt, werden im Laufe dieser Ausarbeitung hufig englische Begriffe

benutzt. Dies dient dazu Verwirrungen vorzubeugen, da diese Begriffe auch so in Abaqus/CAE

verwendet werden.

1 [MWJV07] S. 217


22. September 2010

5 | S e i t e

2. Schraubenverbindungen per Hand berechnen

2.1 Einleitung

Damit ein sinnvoller Vergleich der Analyse-Ergebnisse aus Abaqus/CAE zu realen Werten gezogen

werden kann, muss zunchst eine einfache Schraubenverbindung per Hand ausgelegt und berechnet

werden. Das Hauptaugenmerk dieser Studienarbeit liegt auf Schraubenverbindungen, die einer

Querkraft ausgesetzt werden. Die Berechnung der Schraubenverbindung erfolgt nach VDI 2230.

Es wird im Folgenden eine einfache Schraubenverbindung berechnet. Die Schraube soll zwei

Stahlplatten reibschlssig miteinander verbinden. Eine Stahlplatte ist fest eingespannt, whrend auf

der Stirnseite der anderen Stahlplatte eine Kraft von 8 kN wirkt. Die Schraube soll eine

Festigkeitsklasse von 8.8 besitzen.


22. September 2010

6 | S e i t e

2.2 Rechenschritte fr die Auslegung der Schraubenverbindung

2.2.1 R0 Ermittlung des Nenndurchmessers

Eine berschlgige Ermittlung des Schraubendurchmessers d erfolgt nach untenstehender Tabelle:

Tabelle 1: berschlgige Ermittlung von d nach [VDI 2230]

1) In Spalte 1 ist die nchst grere Kraft zu der an der Verschraubung angreifenden

Betriebskraft zu whlen. In diesem Fall sind das 10.000 N

2) Die erforderliche Mindestvorspannkraft ergibt sich, indem von dieser Zahl 4

Schritte weitergegangen werden. Hier sind das 63.000 N

3) Die erforderliche maximale Vorspannkraft ergibt sich, indem von dieser Zahl 1

Schritt weitergegangen wird. Hier entspricht das einer Kraft von 100.000 N

4) In der Spalte 4 findet man unter der Festigkeitsklasse nun die passende Schraube. Hier

entspricht das einer M20.


22. September 2010

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2.2.2 R1 Ermittlung des Anziehfaktors

Der Anziehfaktor bercksichtigt die Streuung der erzielbaren Montagevorspannkraft zwischen

und . Abhngig vom Anziehverfahren kann der Anziehfaktor der folgenden Tabelle

entnommen werden.

Tabelle 2: Ermittlung des Anziehfaktors aus [HaBo06] S. 191

Das gngige Anziehverfahren ist das drehmomentgesteuerte Anziehen mit einem

Drehmomentschlssel. Es wird daher ein Anziehfaktor gewhlt.

Dieser Wert lsst sich jedoch auch mit folgender Gleichung ermitteln:

Vereinfacht wird fr den Anziehfaktor der Wert angenommen.


22. September 2010

8 | S e i t e

2.2.3 R2 Ermittlung der erforderlichen Mindestklemmkraft

Der Reibschluss zur bertragung einer Querkraft wird wie folgt berechnet:

Sicherheit

Querkraft

Reibbeiwert

Anzahl der Reibflchen

Anzahl der Schrauben

Fr den Reibbeiwert wird folgende Tabelle zur Hand genommen.

Tabelle 3: Reibbeiwerte aus [HaBo06], S. 191

Es wird davon ausgegangen, dass die Schraube von der Oberflchenbeschaffenheit blank ist und ohne

besondere Schmierung zum Einsatz kommt. Daher wird der Reibbeiwert mit 0,14 festgelegt. Mit den

Vorgaben aus der Aufgabenstellung aus Kapitel 2.1 und einem Sicherheitswert von 1 erhlt man

folgendes Ergebnis:


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9 | S e i t e

2.2.4 R3 Krfteverhltnis und Nachgiebigkeit

Die Schraube setzt sich aus einer Anzahl von Einzelelementen zusammen, die durch zylindrische

Krper verschiedener Lngen und Querschnitte gut ersetzbar sind.

Abbildung 1: Schema der hier angestrebten Verschraubung

Die Nachgiebigkeit eines zylindrischen Einzelelements folgt zu

mit dem Elastizittsmodul

des Schraubenwerkstoffs. Die Nachgiebigkeit der Schraube insgesamt wird .

Alternativ kann auch mit der Federsteifigkeit gerechnet werden. Diese berechnet sich zu:


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10 | S e i t e

Folgende Werte werden fr die Berechnung genutzt:2

Somit erhlt man fr die Federsteifigkeit der Schraube:

Die Federsteifigkeit der Platten wird wie folgt berechnet:

ist das Elastizittsmodul des Plattenwerkstoffs und ist die

Klemmlnge der Schraube. ist der Querschnitt des Ersatzhohlzylinders der verspannten Teile (s.

Abbildung 2). Dieser lsst sich mit folgender Gleichung berechnen:

Auendurchmesser der Kopf- oder Mutterauflage

Durchmesser der Durchgangsbohrung 3

Fr Stahl 4

Einsetzen der Werte ergibt fr :

Und somit fr :

2 [Bge91] Tabelle 2.18 Metrisches ISO-Gewinde nach [DIN 13], S. 23

3 [Bge91] Tabelle 2.13 Geometrische Gren an Sechskantschrauben, S. 21

4 [Bge91] Kapitel 2.4-5 Berechnung vorgespannter Schraubenverbindungen bei axial wirkender Betriebskraft


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11 | S e i t e

Abbildung 2: Aus [BeGr07] - Ersatzdruckzylinder zur Berechnung der elastischen Nachgiebigkeit von verspannten

Hlsen und Platten nach [VDI2230], Ausgabe 1986

Mit diesen Werten lsst sich das Kraftverhltnis berechnen:

2.2.5 R4 Vorspannkraftnderung

Die Vorspannkraftnderung aufgrund der Belastung und dem damit einhergehenden Setzbetrag

lsst sich mit folgender Gleichung berechnen:

Wobei sich der Setzbetrag wie folgt zusammensetzt:

Somit gilt:


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12 | S e i t e

2.2.6 R5 Ermittlung der Mindestmontagevorspannkraft

Die erforderliche Mindestmontagevorspannkraft erhlt man bei Beachtung von

Vorspannkraftnderungen unter der Annahme der grten mglichen Entlastungen der Verbindung:

Da in diesem Modell davon ausgegangen wird, dass keine Axialen Krfte auf die Schraube wirken,

kann die Gleichung vereinfacht werden zu:

2.2.7 R6 Ermittlung der Maximalmontagevorspannkraft

Unter Bercksichtigung von Kapitel 2.2.2 ergibt sich die mgliche Maximalmontagevorspannkraft zu:

2.2.8 R7 berprfung der Schraubengre

Fr den Fall, dass die Vergleichsspannung im Montagzustand nur eine anteilige Ausnutzung der nach

ISPO 898-1 genormten Mindeststreckgrenze der Schraube zugelassen wird, gilt mit dem

Ausnutzungsgrad :

blicherweise wird auf 90% der Streckgrenze angezogen, das heit:

Die erste Kontrolle, um sehen zu knnen ob die Schraube richtig dimensioniert wurde, wird

durchgefhrt indem mit der Streckgrenzkraft verglichen wird.


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13 | S e i t e

Fr die in Kapitel 2.2.1 gewhlte Schraube muss gelten:

Diese Bedingung wurde erfllt, da .

2.2.9 R8 Ermittlung der Lngennderungen nach der Montage

Die Lngennderung der Schraube betrgt:

Die Lngennderung der Platten betrgt:

2.2.10 R9 Ermittlung des erforderlichen Anziehdrehmoments

Das erforderliche Anziehdrehmoment fr die Montage lsst sich berechnen zu:

Flankendurchmesser am Gewinde

Steigungswinkel am Gewinde 5

Reibwinkel am Gewinde 6

Mit den nun bekannten Werten lsst sich das erforderliche Anziehdrehmoment berechnen. Dieser

betrgt:

5 [Bge06] Tabelle 2.18 Metrisches ISO-Gewinde nach DIN 13, S. 23

6 [Bge06] Kapitel 2.4-14, S. 15


22. September 2010

14 | S e i t e

2.2.11 R10 Ermittlung der Spannungen

Die Montagevorspannung errechnet sich zu:

Die Torsionsspannung errechnet sich zu:

Wobei

das polare Widerstandsmoment der Schraube ist. Daraus ergibt sich fr die

Torsionsspannung:

2.2.12 R11 Ermittlung der Vergleichsspannung

Fr die Vergleichsspannung bzw. reduzierte Spannung muss folgendes gelten:

Das Einsetzen der Werte ergibt:

Da das Kriterium erfllt wurde, muss im folgenden Schritt lediglich die Flchenpressung berechnet

werden.


22. September 2010

15 | S e i t e

2.2.13 R12 Ermittlung der Flchenpressung

Fr die Flchenpressung gilt folgendes Kriterium:

Den Wert fr entnimmt man der Tabelle 4.

Tabelle 4: Grenzflchenpressung (nach VDI 2230), aus [HaBo06], S. 198

Es wird als Werkstoff ein Stahl hnlich dem S 235 J gewhlt, somit erhlt man fr die

Grenzflchenpressung

Das Einsetzen der Werte ergibt:

2.3 Ergebnis

Da die Kriterien aus 2.2.8, 2.2.12 und 2.2.13 smtlich erfllt wurden, kann eine Schraube mit dem

Nennma M20 bedenkenlos bei einer dynamischen Betriebsquerkraft von 8000 N verwendet werden.


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16 | S e i t e

3. Analyse der Schraubenverbindung in Abaqus/CAE

3.1 Einleitung

Mit dem FEM Softwarepaket Abaqus/CAE lassen sich relativ leicht Modelle von

Schraubenverbindungen erzeugen. Hierzu bietet Abaqus/CAE ein einfaches Verfahren fr die

Einleitung einer Vorspannkraft in einen Schraubenschaftquerschnitt. In anderen Softwarepaketen muss

nach wie vor mit der umstndlicheren Methode zur Erzeugung der Vorspannkraft gearbeitet werden.

Hierzu muss zunchst der Schraube ein thermischer Koeffizient zugewiesen werden. Dann wird in

einem Analyseschritt eine Temperaturdifferenz auf die Schraube aufgebracht, die ein Abkhlen

simuliert. Aufgrund dieser Abkhlung schrumpft die Schraube und spannt somit die zu

verschraubenden Bauteile ein. Da dies ein iteratives Verfahren aufgrund eines Schtzwertes fr die

Temperaturdifferenz ist, muss dieser Schritt und eben auch die Berechnung dazu solange wiederholt

werden, bis ein akzeptables Ergebnis vorliegt.

In Abaqus/CAE erzeugt man lediglich einen Analyseschritt, in dem ein Lastfall vom Typ Bolt-Load

definiert wird. Hier kann direkt die Vorspannkraft oder die Lngennderung der Schraube eingegeben

werden. Diese Methode muss nur einmal angewendet werden und erzielt die przisesten Ergebnisse.

In diesem Kapitel wird der Vorgang beschrieben, wie ein Modell einer Schraubenverbindung in

Abaqus/CAE hnlich dem theoretischen Modell aus Kapitel 2 zu erzeugen.


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3.2 Erstellen des Simulationsmodells

3.2.1 Modellieren der Schraube

Fr die Berechnungen, die hier durchgefhrt werden, kommen vereinfachte Modelle von Schrauben

zum Einsatz. Sie bestehen aus Schraubenkopf, Schraubenschaft und Mutter. Diese drei Teile werden

aus einem Guss erzeugt, d.h. es wird eine Skizze von der halben Schraube mitsamt Mutter

gezeichnet und rotatorisch extrudiert (s. Abbildung 3).

Hier wurde eine M20 Schraube erstellt mit einer Schaftlnge von 32mm. Der Kopf und die Mutter der

Schraube haben jeweils einen Durchmesser von 30mm.

Abbildung 3: Skizze der Schraube

Anschlieend wird der Schaft an den Stellen, wo Kopf und Mutter ansetzen und in der Mitte

partitioniert, um eine Flche zu erzeugen, auf der die Vorspannung aufgebracht wird. (s. Abbildung 4).

Generell wird nur eine Flche im Schraubenschaft bentigt, in der die Vorspannung aufgebracht wird,

diese kann auch direkt unter dem Schraubenkopf bzw. der Schraubenmutter liegen, jedoch erhlt man

damit merkwrdige Visualisierungen. Daher empfiehlt es sich, die Vorspannung in der Mitte vom

Schraubenschaft aufzubringen. Die restlichen Partitionen dienen somit nur der Vernetzung.


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18 | S e i t e

Abbildung 4: Partitionierte Bereiche der Schraube

3.2.2 Einfgen des Modells in die Baugruppe

Die Schraube, die im Part-Modul erzeugt wurde, muss nun in die Baugruppe eingefgt werden. Sie

wird konzentrisch zu den Durchgangsbohrungen positioniert und mit der Unterseite des Kopfes am

Bauteil mit einer face to face Beziehung positioniert. Sollten die Flchen schief sein, weil die

Bauteile evtl. nachgeben knnen, so muss ein Punkt (Node) der Mutter/des Kopfes auf diese Flchen

aufliegen.

Die beiden Platten, die miteinander verschraubt werden sollen haben folgende Abmessungen:

- Platte 1: h = 100mm x b = 100mm x t = 15mm

- Platte 2: h = 100mm x b = 100mm x t = 17mm

Beide Platten haben in ihrer Mitte jeweils eine Durchgangsbohrung mit einem Durchmesser von

22mm. Diese Bohrungen wurden in der Baugruppe konzentrisch zueinander ausgerichtet und beide

Platten mit einer face to face Beziehung platziert.


22. September 2010

19 | S e i t e

Abbildung 5: Isometrische transparente Ansicht der Baugruppe

In Abbildung 6 ist die Baugruppe in der YZ-Ebene dargestellt. Auf der rechten Seite befindet sich die

Stahlplatte mit einer Strke von 17mm und auf der linken Seite die Stahlplatte mit einer Strke von

15mm.

Abbildung 6: Ansicht der Baugruppe in der YZ-Ebene


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20 | S e i t e

3.2.3 Wahl und Zuweisung des Materials

In dieser Analyse wird fr jedes Teil dasselbe Material benutzt. In diesem Fall ist das ein Stahl mit

einem Elastizittsmodul von

und einer Querkontraktionszahl von 0,3.

Die verwendete Section ist aus der Kategorie Solid und vom Typ homogenous.

Diese Section wurde auf allen Regionen der einzelnen Parts angewendet.

3.2.4 Steps erzeugen

Fr diese Analyse werden neben dem Initial-Step noch zwei weitere Steps bentigt. Die Schraube

wird, bevor eine Betriebslast auf das System wirkt, vorgespannt. Dies geschieht in einem Step, der

hier Vorspann genannt wird.

Nachdem die Schraube fest verschraubt (vorgespannt) ist, wird eine Last in Form eines Drucks auf

das System gebracht. Dies geschieht in dem hier Last genannten Step.

Beide Steps sind vom Typ Static, General, da hier eine einfache statische Analyse durchgefhrt

wird. Aufgrund eventueller nicht-linearen Verschiebungen des Modells, wurde hier fr beide Steps die

Option fr nichtlineare Geometrie (NLGEOM) eingeschaltet. Aufgrund der Bandbreite an

unterschiedlichen Kontakt- und Randbedingungen und dem hier aufgebrachten Lastfall liegt in dieser

Simulation eine hochgradige Nichtlinearitt vor, die in einer Analyse ohne die Option Nlgeom zu

keiner Konvergenz fhren wrde. Schaltet man die Option Nlgeom ein, so whlt der Solver

automatisch passende Last-Inkremente und Konvergenztoleranzen und passt diese whrend der

Analyse laufend an, um eine mglichst akkurate Lsung auf effizienteste Weise zu erlangen.

Abbildung 7: Step Manager


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3.2.5 Kontaktbedingungen erstellen

Im Laufe dieser Studienarbeit hat sich die Festlegung der Kontaktbedingungen als sehr kritisch

erwiesen. Die kleinsten Vernderungen der Parameter haben einen zum Teil groen Einfluss auf das

Resultat bzw. das Konvergieren der Berechnung. So fhrt z.B. die Diskretisierungsmethode Node to

surface zu berlappenden Kontaktflchen, was einen negativen Effekt auf das Konvergieren der

Rechnung hat. Die korrekten Parameter lieen sich aufgrund mangelnder Erfahrung im Umgang mit

der Software nur mittels Trial and Error-Verfahren und grndlicher Recherche in professionellen

Ingenieurs-Foren finden. 7

Zunchst mssen die theoretisch vorhandenen Kontaktflchen gefunden werden. In diesem relativ

einfachen Modell sind es insgesamt maximal 4 Kontaktflle.

3.2.5.1 Kontakt zwischen beiden Platten

Die offensichtlichsten Kontaktflchen stellen die sich berhrenden Flchen der beiden Platten dar.

Diese sollen schlielich durch die Schraube reibschlssig miteinander verbunden werden. Die

Regionen fr die notwendige Interaktion sind in Abbildung 8 lila bzw. rot hervorgehoben.

Abbildung 8: Kontaktflchen beider Flachsthle

7 [WWW01] ; [WWW02] ; [WWW03]


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22 | S e i t e

Kontakte dieser Art werden als surface to surface Kontakte diskretisiert. Diese Methode stellt sicher,

dass keine Slave-Knoten in die Master-Oberflche eindringen knnen. Die Kontakte werden zwischen

den Master- und Slave-Knoten gemittelt, womit auch realistischere Ergebnisse bei Pressverbindungen

erzielt werden.

Da davon ausgegangen wird, dass - wenn berhaupt - nur kleine Verschiebungen stattfinden, wurde

als sliding formulation die Option small sliding gewhlt. Ginge man davon aus, dass wesentlich

grere Verschiebungen zustande kmen, bei denen sich die Platten sogar voneinander trennen

knnten, so sollte man eher auf finite sliding setzen. Small sliding bewirkt auch ein Reduzieren

der Berechnungsdauer. In der komplexen Baugruppe in Kapitel 5.2 verkrzte sich die

Berechnungsdauer um 2 Minuten bei einer Gesamtdauer von ca. 25 Minuten.

Da am Anfang der Simulation nicht sichtbare berlappungen bzw. berschneidungen der beiden

Platten vorhanden sein knnten, werden die Platten angepasst, um diese Fehler in der Geometrie zu

beseitigen. Dies wird mit der Option adjust only to remove overclosure unter den Reiter Slave

adjustment eingestellt.

Abbildung 9: Edit Interaction Men


22. September 2010

23 | S e i t e

Fr diese Art der Interaktion muss noch eine Interaktionseigenschaft erstellt werden. Diese wurde hier

HardContactPenalty genannt. Die beiden wichtigsten Eigenschaften sind das tangentiale Verhalten

(Tangential Behavior) und das Verhalten der Normalen (Normal Behavior).

Bei dem tangentialen Verhalten kann der Reibbeiwert definiert werden. Dafr stellt man die Friction

formulation auf Penalty ein. Der Reibbeiwert wurde hier wie in Kapitel 2 mit 0,14 definiert.

Bei dem Verhalten der Normalen wurde als Constraint enforcement method die Option Augmented

Lagrange (Standard) zusammen mit der Pressure-Overclosure-Variante Hard Contact gewhlt.

Smtliche Interaktionen wurden im Initial-Step erzeugt, da diese von Anfang an gegeben sein

mssen.

3.2.5.2 Kontakt zwischen Schraubenkopf und der rechten Platte und der Mutter mit der

linken Platte

Damit beide Platten reibschlssig miteinander verbunden werden knnen, muss der Schraubenkopf

auch direkten Kontakt zur Flche der rechten Platte haben. Analog dazu muss die Mutterauflageflche

in Kontakt zur Oberflche der linken Platte stehen.

Die betroffenen Flchen sind in den Abbildungen 11 und 12 lila bzw. rot hervorgehoben.

Hier gelten die gleichen Parameter wie in Kapitel 3.2.5.1.


22. September 2010

24 | S e i t e

Abbildung 10: Kontakt zwischen Schraubenkopf und rechter Platte

Abbildung 11: Kontakt zwischen Mutter und linker Platte


22. September 2010

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3.2.5.3 Kontakt zwischen Schraubenschaft und Bohrungsinnenflchen

Im Extremfall kann Kontakt zwischen dem Schaft der Schraube und den Innenwnden der

Durchgangsbohrungen entstehen. Im Idealfall werden die beiden Platten jedoch ber die durch die

Vorspannung erzeugte Anpresskraft der Schraube zusammengehalten, wodurch der Kontakt zwischen

den besagten Flchen nicht zustande kommen drfte. Da bei einem solchen Kontakt Reibung kaum

eine Rolle spielt, wurde diese Kontakteigenschaft als Frictionless definiert. Eine Justierung der

Kontaktflchen soll in diesem Fall nicht stattfinden, da sich die Flchen zu Beginn der Simulation

nicht berhren sollen.

Die restlichen Einstellungen sind jedoch identisch mit denen aus Kapitel 3.2.5.1.

Die besagten Kontaktflchen sind in Abbildung 13 lila bzw. rot hervorgehoben.

Abbildung 12: Kontaktflchen des Schraubenschaftes und der Innenwnde der Durchgangsbohrungen

3.2.5.4 Kontaktflchen suchen mit Find Contact Pairs

Abaqus/CAE bietet ein ntzliches Tool, das dem Benutzer einiges an zeitraubender Arbeit abnimmt.

Zudem verkrzt es die Zeit zum Erstellen des Modells enorm. Mit dem Tool Find Contact Pairs

lassen sich smtliche (potentielle) Kontaktflchen finden und definieren. Man gibt lediglich die


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26 | S e i t e

Suchtoleranzen und die Suchdomne ein und besttigt die Suche mit einem Klick auf Find Contact

Pairs. Abaqus/CAE schlgt anschlieend Kontaktpaarungen vor und versieht sie mit

Standardeigenschaften. Hat man z.B. die Steps als nichtlineare Geometrie definiert, so wird

automatisch Finite Sliding gewhlt, da bei groer Nichtlinearitt hufig groe Verschiebungen

vorkommen. In dem aktuellen Modell ist dies jedoch nicht der Fall, daher muss diese Einstellung in

Small Sliding gendert werden. Anschlieend sind die Kontakteigenschaften auszuwhlen und man

definiert wie die Kontaktpaare zueinander justiert werden.

Abbildung 13: Dialogfeld "Find Contact Pairs"


22. September 2010

27 | S e i t e

3.2.6 Vorspannung definieren

Abaqus/CAE stellt einen eigens fr vorgespannte Schrauben vorgesehenen Lastfall bereit. Im Load-

Modul findet man diesen unter Bolt-Load.

Zunchst muss ein Schraubenquerschnitt, in der die Vorspannkraft aufgebracht wird, definiert werden.

Hierzu wird die durch die Partition aus Kapitel 3.2.1 erzeugte Flche ausgewhlt.

Abbildung 14: Vorspannungsflche

Es stehen im Edit Load Dialog folgende Mglichkeiten zur Verfgung, mit denen die Vorspannung

der Schraube definiert werden kann.

1. Apply Force

2. Adjust Length

Whlt man Apply Force, so wird die gewnschte Vorspannung im Feld Magnitude eingegeben.

Die Verkrzung der Schraube erfolgt auf Basis dieser Vorspannkraft.

Whlt man Adjust Length, muss die Lngenvernderung (Verkrzung) im Eingabefeld eingegeben

werden. Aus dieser Verkrzung resultiert dann die Vorspannung.


22. September 2010

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Abbildung 15: Bolt load Men

Die Vorspannung muss in einem separaten Step aufgebracht werden, welcher von der Reihenfolge vor

der Lastaufbringung liegen sollte.

Wichtig bei der Bolt load ist, dass im Last-Step die aus der Vorspannkraft resultierende Lnge der

Schraube fixiert wird (s. Abbildung 16)

Abbildung 16: Load Manager und modifizierter Lastfall


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3.2.7 Randbedingungen definieren

Damit beim Aufbringen der Vorspannkraft die Bauteile nicht auseinander fallen, mssen die Bauteile

festgehalten werden. Dies erzielt man indem geeignete Randbedingungen definiert werden. Hierzu

wird die fest einzuspannende Platte (die rechte Platte) an ihrer unteren Flche mittels Encastre

eingespannt. Die andere Platte wird vorlufig ebenfalls per Encastre eingespannt, diese

Randbedingung wird jedoch im Last-Step wieder aufgehoben.

Abbildung 17: Randbedingungen (Boundary Conditions)

Abbildung 18: Boundary Condition Manager und deaktivierte Randbedingung


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30 | S e i t e

4. Alternative Modellbildung

4.1 Einleitung

Die in Kapitel 3 eingefhrte Methode zur Erstellung eines Modells einer Schraubenverbindung ist

zwar sinnvoll, wenn das exakte Verhalten einer Schraube und die dadurch erzeugte Verbindung zu

untersuchen ist. Mchte man jedoch lediglich wissen, ob eine Verbindung hlt, so knnen auch andere

Methoden verwendet werden.

Eine weitere Methode, welche sich jedoch kaum unterscheidet von der Methode aus Kapitel 3, ist das

Erzeugen einer Vorspannung innerhalb der Schraube, indem sie abgekhlt wird. Durch das

Abkhlen schrumpft die Schraube und presst somit die zu verschraubenden Bauteile aneinander. Da

fr dieses Modell allerdings ebenfalls eine modellierte Schraube notwendig ist, kann hier die

Rechenzeit nicht reduziert werden. Das Gegenteil wre der Fall, da dieser Vorgang ein iterativer ist.

Der groe Nachteil bei beiden Verfahren ist die groe Anzahl an Freiheitsgraden, die berechnet

werden mssen, da die modellierte Schraube hinreichend fein vernetzt werden muss, um realistische

Ergebnisse zu erzielen. Ein bloes Reduzieren der Elemente knnte u.U. das Ergebnis verflschen.

Desweiteren sind drei zustzliche Kontaktflchen zu definieren. Jeweils eine unter der Mutter bzw.

unter dem Schraubenkopf und eine zwischen Schraubenschaft und Bohrungswnde.

Kontaktberechnungen sind rechenintensiv, daher ist es vorzuziehen solche Kontaktflchen zu

vermeiden. Ziel ist es also fr komplexe Baugruppen eine Methode zu finden, in der man auf eine

Modellierung der Schrauben verzichten kann.

Da eine vorgespannte Schraube nichts weiter darstellt als eine sehr steife Feder, knnen die

Schraubenmodelle mit sog. Connector-Elementen ersetzt werden.

4.2 Idealisierung einer Schraube als Connector-Element

Wie bereits in der Einleitung dieses Kapitels erwhnt, kann eine Schraube als Feder idealisiert werden.

Dafr knnen Connector-Elemente verwendet werden.

Im Interaction-Modul wird ein solches Connector-Element mit dem Connector Builder erzeugt.

Das Connector-Element wird als axial definiert, d.h. es gibt nur einen Freiheitsgrad, nmlich einen

translatorischen. Das Element wird zwischen den Mittelpunkten der beiden Bohrungen aufgespannt.


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Noch ist das Verbindungselement lediglich mit zwei frei im Raum schwebenden Punkten verbunden.

Um eine realistische Verbindung zu erzeugen, mssen beide Platten ringfrmig um die Bohrungen

herum partitioniert werden, und zwar mit dem Durchmesser des Schraubenkopfes bzw. der Mutter.

Anschlieend werden die Ankerpunkte des Verbindungselementes durch einen sog. Coupling

Constraint mit der soeben erzeugten Ringflche verbunden. Bei den Einstellungen des Coupling

Constraint muss der Coupling type auf Structural distributing und die Weighting method auf

Linear umgestellt werden. Der Rest kann bei den Standard-Einstellungen belassen werden.

Dem Verbindungselement muss noch eine Connector Section zugewiesen werden. Hier werden die

Eigenschaften des Verbindungselementes definiert. Unter den Behaviour Options werden eine

Elastizitt und eine Referenzlnge hinzugefgt werden. Es wird eine lineare Elastizitt in der

Kraftrichtung F1 mit der aus Kapitel 2.2.4 errechneten Federrate der Schraube verwendet. Daher wird

fr D11 der Wert 1168000 eingetragen.

Um die korrekte Referenzlnge herauszufinden bedient man sich der Gleichung

Die Gesamtlnge des Verbindungselementes geht ber die Wandstrke beider Platten. Das sind 32

mm. Da die Verbindung verkrzt werden muss, wird der oben berechnete Wert von der Gesamtlnge

subtrahiert. Man gibt somit bei Length associated with U1: den Wert 31.92 ein.

Jetzt kann die Rechnung durchgefhrt werden. Diese Rechnung dauert auf einen PC mit einem Intel

Core2Quad q6600 @ 3,0 GHz und 4 GB RAM lediglich 30 Sekunden. Verglichen mit der Rechnung

mit der Bolt-Load Methode, die ca. 10 Minuten dauert, ist diese Methode 20-mal schneller.

Die Ergebnisse der Berechnung mit dieser Methode kommen nahe an die der Bolt-Load Methode

heran. Weitere Details dazu in Kapitel 5.


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5. Analyse der Berechnungen

5.1 Direkter Vergleich Bolt-Load-Methode und Connector-Methode

Abbildung 19: Vergleichsspannung nach v. Mises unter dem Schraubenkopf


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In Abbildung 20 sind auf dem linken Bild die Vergleichsspannungen nach v. Mises fr das Modell

nach der Bolt-Load Methode zu sehen. Die Schraube wurde ausgeblendet, um einen mglichst

przisen Vergleich mit der anderen Methode ziehen zu knnen. Auf der rechten Seite ist das Modell

nach der Connector-Methode zu sehen. Hier wird eine Maximalspannung von circa

angezeigt. Die Skala fr das andere Modell wurde dementsprechend skaliert, so dass die Bereiche, die

eine hhere Spannung als

aufweisen, grau eingefrbt werden. Dies ist der Fall fr minimale

Bereiche und ist somit noch im glaubwrdigen Bereich.

In Abbildung 21 ist die Anpresskraft der Platten abgebildet. Hierfr wurde eine der beiden Platten

ausgeblendet. Im Connector-Modell erreicht die Anpresskraft einen Spitzenwert von ca. 156,4 N.

Die Skala fr das Bolt-Load-Modell wurde wieder diesem Wert angepasst. Hier zeichnet sich ein

etwas anderes Bild ab, allerdings kommt das Ergebnis des Connector-Modells dem Ergebnis des

Bolt-Load-Modells sehr nahe.

Abbildung 22 verdeutlicht die Verformungen an beiden Modellen. Auf beiden Seiten wurde ein

Deformations-Skalierungsfaktor von 50 angewendet, damit die Verschiebungen sichtbar werden. Hier

decken sich beide Modelle weitgehend. Es treten bei beiden Modellen kaum Verschiebungen in

Kraftrichtung auf. Somit ist die Dimensionierung der Schraube aus Kapitel 1 nachgewiesen worden.


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Abbildung 20: CPRESS in der Mittelflche


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Abbildung 21: Verformungen an den Modellen


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5.2 Analyse eines komplexen Modells

Wie man dieser Studienarbeit entnehmen kann, ist die Berechnung einer einfachen

Schraubenverbindung mit einer Schraube und zwei Platten durchaus per Hand durchfhrbar, auch

wenn dieser Vorgang viel Zeit in Anspruch nimmt. Dieser Aufwand lsst sich minimieren, indem eine

Excel-Tabelle erstellt wird, in der nur noch die gegebenen Werte eingegeben werden und die

Ergebnisse automatisch kalkuliert werden.

Sind jedoch komplexere Modelle zu berechnen, in denen z.B. Querkrfte und Momenten auf die

Schrauben wirken, so wird die Berechnung per Hand sehr schnell unbersichtlich.

In diesem Kapitel wird eine Schraubenverbindung fr eine automatische Laschplatform (ALP)

betrachtet. Bei dem Bauteil handelt es sich um einen I-Trger an dem eine Verbindungsvorrichtung fr

eine Containerecke angebracht werden soll. Diese Verbindung muss aus montagetechnischen Grnden

lsbar sein. Der I-Trger ist an einem Rahmen befestigt, der smtliche Teile der ALP umhllt. Die

ALP muss hufig von sog. Van-Carriern (VCs) transportiert werden. Diese VCs heben die ALP mit

einem Spreader an den Containerecken, die mit den I-Trgern verschraubt werden, an. Die

Containerecken befinden sich allerdings nicht direkt ber den Schrauben, wodurch die Kraft

exzentrisch zu den Schrauben angreift und somit ein Moment in den Schrauben erzeugt.

Das Modell wurde halbsymmetrisch aufgebaut. Die Bauteile werden mit 6 M20 Schrauben verbunden,

die jeweils einer Vorspannkraft von 115 kN ausgesetzt werden. Es wird davon ausgegangen, dass die

ALP insgesamt 90t wiegt. Die Last wurde dementsprechend gewhlt.

An dem I-Trger wurde am oberen Ende ein Steg angeschweit, der zur Sicherung dient (s. Abbildung

23). Die Halterung der Containerecke wird unterhalb dieses Stegs angebracht (s. Abbildung 24).

Es wurden zwei Flle berechnet. Ein vollstndig verschraubtes Modell und ein Modell mit nur einer

schwach vorgespannten Schraube (30 kN), um den Versagensfall zu simulieren.

In den Ergebnissen der Berechnung (Abbildung 25) erkennt man im linken Modell, dass der

Sicherungssteg im Vergleich zum rechten Modell gar nicht unter Spannung steht. Das bedeutet, die

Anpresskraft der Schrauben halten die Bauteile in der vorgesehenen Position.


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Abbildung 22: Halbsymmetrischer I-Trger mit Sicherungssteg

Abbildung 23: Halbsymmetrische Halterung fr Containerecke mit vereinfachter Containerecke


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Abbildung 24: Vergleich mit vollstndig verschraubter Baugruppe und Baugruppe mit nur einer

Schraube


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6. Python Script zur Teilautomatisierung der Modellerstellung

6.1 Beschreibung des Plug-ins

Das Erstellen eines simplen Modells wie hier in Kapitel 2 dieser Studienarbeit ist nicht sehr

zeitaufwndig. In realen Fllen hat man hingegen zum Teil sehr komplexe Modelle, die sich nicht auf

ein simples Modell reduzieren lassen. Solche Modelle bestehen zum Teil aus den unterschiedlichsten

Schrauben. Nicht nur die Durchmesser und Lngen der Schrauben, sondern auch die Art und Weise

wie diese verschraubt werden spielen eine Rolle. So gibt es Dehnschrauben, die unterschiedliche

Durchmesser und somit unterschiedliche Elastizitten besitzen. Einige Schrauben werden nur Axial,

andere nur auf Querkraft und wiederum andere auf eine Kombination dieser Krfte belastet.

Hat man ein solchen komplexen Fall vorliegen, so msste man fr jede dieser verschiedenen

Schrauben ein Teil erstellen, es in der Baugruppe positionieren, dann muss es partitioniert werden, es

muss vernetzt werden und die Vorspannkraft muss definiert werden. Das ist ein sehr langwieriger

Prozess und wre in der Wirtschaft vllig unkonomisch.

Fr solche Flle bietet es sich an, ein kleines Plug-In mit Python zu schreiben. Und genau das habe ich

im Laufe der Studienarbeit getan. Aufgrund mangelnder Programmierkenntnisse ist das Plug-In jedoch

leider nicht vollstndig und weist einige kleinere Fehler, so genannte Bugs, auf. Es lassen sich mit

dem Plug-In folgende Schritte automatisieren:

- Erzeugen eines Bauteils mittels einer Eingabemaske

- Partitionieren dieses Bauteils

- Erzeugen eines Materials und Querschnitte

- Zuweisung der Querschnitte auf das Bauteil

- Sinnvolles Vernetzen des Bauteils

- Erzeugen eines Vorspann-Steps

- Erzeugen einer Vorspannkraft

Die letzten beiden Punkte sind leider fehlerbehaftet, da diese Funktionen nur bei der ersten Schraube

funktionieren. Erzeugt man eine weitere Schraube, so wird der Vorspann-Step gelscht und von

einem neuen Vorspann-Step ersetzt. Somit geht leider auch die erzeugte Vorspannkraft verloren.

Dieser Fehler drfte jedoch relativ leicht zu beheben sein, wenn man ein wenig mehr Zeit fr die

Bearbeitung investieren wrde. Vermutlich reicht eine IF-Abfrage an einer geeigneten Stelle aus,

um diesen Fehler zu beheben.


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Der grte Teil des Python-Codes konnte mit der integrierten Makrofunktion von Abaqus/CAE

gewonnen werden. Hierzu wurde lediglich ein Makro aufgenommen von den einzelnen Schritten zur

Erstellung eines Bauteils. Anschlieend wurde die erzeugte Makro-Datei mit einem Texteditor

geffnet und die relevanten Code-Schnipsel kopiert und in den Quellcode des Plug-ins integriert.

Fr die Erzeugung der grafischen Benutzeroberflche (GUI) wurde das in Abaqus/CAE integrierte

Plug-In RSG Dialog Builder genutzt. Der Code wurde anschlieend manuell abgendert.

Das Plug-In besteht aus 3 Dateien:

- Screw_plugin.py

o Hier wird die Klasse screwProcedure und ScrewForm erzeugt. Diese beiden

Klassen erzeugen die Benutzeroberflche und die damit verknpften Eingabefelder.

o In dieser Datei steht auch der Code-Schnipsel, der das Plug-In bei Abaqus/CAE

registriert. Das Plug-In taucht deswegen auch im Menpunkt Plug-ins auf.

- ScrewDB.py

o Hier werden die Textfelder in der Klasse screwDB erzeugt. Die Eingaben, die in

diesen Textfeldern gemacht werden, werden an das Modul weitergeleitet, das die

ganzen Abaqus/CAE Befehle enthlt.

- screwModule.py

o In dieser Datei befinden sich smtliche aus dem Makroaufnahme-Programm

gewonnene Befehle, die zur Erzeugung der Schrauben dienen.

Abbildung 25: Dialogfeld vom Schrauben-Plug-In


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6.2 Installation des Plug-ins

Das Plug-in wird installiert, indem diese drei Dateien in den abaqus_plugins Ordner kopiert werden.

Anschlieend ffnet man Abaqus/CAE und startet unter File das sog. Python Developement

Environment Abaqus PDE. Nun muss die Hauptdatei Screw_plugin.py geffnet werden. Dies

macht man unter File Select main file. Es ffnet sich ein Dialogfeld, in dem man die

gewnschte Datei aussuchen kann. Ist die Datei einmal offen, muss in der oberen Tool-Leiste bei

Run in: der Punkt GUI ausgewhlt werden. Nun klickt man lediglich noch auf den Playbutton

(kleiner grner Pfeil nach rechts hnlich wie beim Kassettenspieler).

Das Plug-in ist nun verfgbar in Abaqus/CAE unter Plug-ins Create Screw


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Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Schema der hier angestrebten Verschraubung .................................................................. 9

Abbildung 2: Aus [BeGr07] - Ersatzdruckzylinder zur Berechnung [] ............................................. 11

Abbildung 3: Skizze der Schraube ........................................................................................................ 17

Abbildung 4: Partitionierte Bereiche der Schraube ............................................................................... 18

Abbildung 5: Isometrische transparente Ansicht der Baugruppe .......................................................... 19

Abbildung 6: Ansicht der Baugruppe in der YZ-Ebene ........................................................................ 19

Abbildung 7: Step Manager .................................................................................................................. 20

Abbildung 8: Kontaktflchen beider Flachsthle .................................................................................. 21

Abbildung 9: Edit Interaction Men ...................................................................................................... 22

Abbildung 11: Kontakt zwischen Schraubenkopf und rechter Platte .................................................... 24

Abbildung 12: Kontakt zwischen Mutter und linker Platte ................................................................... 24

Abbildung 13: Kontaktflchen des Schraubenschaftes und der Innenwnde [] ................................ 25

Abbildung 14: Dialogfeld "Find Contact Pairs" .................................................................................... 26

Abbildung 15: Vorspannungsflche ...................................................................................................... 27

Abbildung 16: Bolt load Men .............................................................................................................. 28

Abbildung 17: Load Manager und modifizierter Lastfall ..................................................................... 28

Abbildung 18: Randbedingungen (Boundary Conditions) .................................................................... 29

Abbildung 19: Boundary Condition Manager und deaktivierte Randbedingung .................................. 29

Abbildung 20: Vergleichsspannung nach v. Mises unter dem Schraubenkopf ..................................... 32

Abbildung 21: CPRESS in der Mittelflche .......................................................................................... 34

Abbildung 22: Verformungen an den Modellen ................................................................................... 35

Abbildung 23: Halbsymmetrischer I-Trger mit Sicherungssteg .......................................................... 37

Abbildung 24: Halbsymmetrische Halterung fr Containerecke mit vereinfachter Containerecke ...... 37

Abbildung 25: Vergleich mit vllig verschraubter Baugruppe und Baugruppe mit nur eine Schraube 38

Abbildung 26: Dialogfeld vom Schrauben-Plug-In .............................................................................. 40


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Literaturverzeichnis

[VDI2230] 2230, V.-R. (1986). Systematische Berechnung hochbeanspruchter

Schraubenverbindungen. Dsseldorf: VDI-Verlag GmbH.

[BeGr07] Beitz, W., & Grote, K.-H. (2007). Dubbel - Taschenbuch fr den Maschinenbau - 22.

Auflage. Magdeburg: Springer-Verlag.

[Bge91] Bge, A. (1991). Arbeitshilfen und Formeln fr das technische Studium (4.,

berarbeitete Ausg., Bde. 2 - Konstruktionen). Branschweig ; Wiesbaden: Vieweg.

[HaBo06] Haberhauer, H., & Bodenstein, F. (2006). Maschinenelemente - Gestaltung,

Berechnung, Anwendung - 14. Auflage. Esslingen: Springer-Verlag.

[MWJV07] Mush, D., Wittel, H., Jannasch, D., & Voiek, J. (2007). Roloff / Matek -

Maschinenelemente. Wiesbaden: Vieweg Verlag.

[WWW01] Eng-Tips. (kein Datum). Abgerufen am August 2010 von http://www.eng-tips.com/

[WWW02] CAD CAM CAE Infos Software und Forum. (kein Datum). Abgerufen am August 2010

von http://www.cad.de

[WWW03] Old Nabble - Abaqus Users Forum & mailing list archive. (kein Datum). Abgerufen

am August 2010 von http://old.nabble.com/Abaqus-Users-f14343.html


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Anhang

A. Quellcodes fr das Plug-In

A.1 screw_plugin.py

from abaqusGui import *

from screwDB import screwDB

###########################################################################

# Class definition

###########################################################################

class screwProcedure(AFXProcedure):

#~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

def __init__(self, owner):

# Construct the base class.

#

AFXProcedure.__init__(self, owner)

# Command and Keywords

#

self.cmd = AFXGuiCommand(self, 'Screw', 'screwModule')

self.nameKw = AFXStringKeyword(self.cmd, 'name', TRUE)

self.screw_head_widthKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_head_width', TRUE)

self.screw_head_heightKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_head_height', TRUE)

self.screw_shaft_widthKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_shaft_width', TRUE)

self.screw_shaft_heightKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_shaft_height', TRUE)

self.screw_nut_widthKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_nut_width', TRUE)

self.screw_nut_heightKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_nut_height', TRUE)

self.boltloadKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'boltload', TRUE)


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#~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

def getFirstStep(self):

db = screwDB(self)

return AFXDialogStep(self, db)

class ScrewForm(AFXForm):

#~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

def __init__(self, owner):

# Construct the base class.

#

AFXForm.__init__(self, owner)

# Command and Keywords

#

self.cmd = AFXGuiCommand(self, 'Screw', 'screwModule')

self.nameKw = AFXStringKeyword(self.cmd, 'name', TRUE)

self.screw_head_widthKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_head_width', TRUE)

self.screw_head_heightKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_head_height', TRUE)

self.screw_shaft_widthKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_shaft_width', TRUE)

self.screw_shaft_heightKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_shaft_height', TRUE)

self.screw_nut_widthKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_nut_width', TRUE)

self.screw_nut_heightKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'screw_nut_height', TRUE)

self.boltloadKw = AFXFloatKeyword(self.cmd, 'boltload', TRUE)

#~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

def getFirstDialog(self):


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# Reload the dialog module so that any changes to the dialog

# are updated.

#

reload(screwDB)

return screwDB.screwDB(self)

# Register as a plugin.

#

toolset = getAFXApp().getAFXMainWindow().getPluginToolset()

toolset.registerGuiMenuButton(buttonText='Create Screw...',

object=screwProcedure(toolset),

kernelInitString='import screwModule'

)


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A.2 screwModule.py

"""

This module constructs a screw.

"""

from abaqus import *

#~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

def Screw(name, screw_head_width, screw_head_height, screw_shaft_width, screw_shaft_height,

screw_nut_width, screw_nut_height, boltload):

# Use the current model.

#

vp = session.currentViewportName

modelName = session.sessionState[vp]['modelName']

# Create the part.

#

import section

import regionToolset

import material

from part import THREE_D, DEFORMABLE_BODY

from mesh import MEDIAL_AXIS

from assembly import CARTESIAN

from load import APPLY_FORCE

s1 = mdb.models[modelName].ConstrainedSketch(name='__profile__', sheetSize=screw_head_height +

screw_shaft_height + screw_nut_height + 50)

s1.ConstructionLine(point1=(0.0, -50.0), point2=(0.0, screw_head_height + screw_shaft_height +

screw_nut_height + 50.0))

s1.Line(point1=(0.0, 0.0), point2=(0.0, screw_head_height + screw_shaft_height + screw_nut_height))


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s1.Line(point1=(0.0, screw_head_height + screw_shaft_height + screw_nut_height),

point2=(screw_head_width / 2.0, screw_head_height + screw_shaft_height + screw_nut_height))

s1.Line(point1=(screw_head_width / 2.0, screw_head_height + screw_shaft_height + screw_nut_height),

point2=(screw_head_width / 2.0, screw_shaft_height + screw_nut_height))

s1.Line(point1=(screw_head_width / 2.0, screw_shaft_height + screw_nut_height),

point2=(screw_shaft_width / 2.0, screw_shaft_height + screw_nut_height))

s1.Line(point1=(screw_shaft_width / 2.0, screw_shaft_height + screw_nut_height),

point2=(screw_shaft_width / 2.0, screw_nut_height))

s1.Line(point1=(screw_shaft_width / 2.0, screw_nut_height), point2=(screw_nut_width / 2.0,

screw_nut_height))

s1.Line(point1=(screw_nut_width / 2.0, screw_nut_height), point2=(screw_nut_width / 2.0, 0.0))

s1.Line(point1=(screw_nut_width / 2.0, 0.0), point2=(0.0, 0.0))

p = mdb.models[modelName].Part(name=name, dimensionality=THREE_D,

type=DEFORMABLE_BODY)

p.BaseSolidRevolve(sketch=s1, angle=360.0, flipRevolveDirection=OFF)

s1.unsetPrimaryObject()

del s1

#---PARTITIONS---

c = p.cells

pickedCells = c.getSequenceFromMask(mask=('[#1 ]', ), )

f = p.faces

p.PartitionCellByExtendFace(extendFace=f[2], cells=pickedCells)

pickedCells1 = c.getSequenceFromMask(mask=('[#2 ]', ), )

f1 = p.faces

p.PartitionCellByExtendFace(extendFace=f1[5], cells=pickedCells1)

#---MESH---

p.seedPart(size=0.05 * screw_shaft_height, deviationFactor=0.1)

pickedRegions = c.getSequenceFromMask(mask=('[#7 ]', ), )

p.setMeshControls(regions=pickedRegions, algorithm=MEDIAL_AXIS)

p.generateMesh()

#---ASSEMBLY---

a = mdb.models[modelName].rootAssembly


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a.DatumCsysByDefault(CARTESIAN)

a.Instance(name=name + str(1), part=p, dependent=ON, autoOffset=ON)

#---MATERIALS---

mdb.models[modelName].Material(name='Steel')

mats = mdb.models[modelName].materials['Steel']

mats.Elastic(table=((210000.0, 0.3),))

mats.Density(table=((7.85e-06, ),))

mdb.models[modelName].HomogeneousSolidSection(name=name + '_Section', material='Steel',

thickness=None)

p1 = mdb.models[modelName].parts[name]

c1 = p1.cells

cells = c.getSequenceFromMask(mask=('[#7 ]', ), )

region = regionToolset.Region(cells=cells)

p1.SectionAssignment(region=region, sectionName=name + '_Section')

#---STEP CREATION AND BOLT LOAD---

mdb.models[modelName].StaticStep(name='Pretension', previous='Initial', initialInc=0.1,

nlgeom=ON)

s1 = a.instances[name + str(1)].faces

side1Faces1 = s1.getSequenceFromMask(mask=('[#2 ]', ), )

region = regionToolset.Region(side1Faces=side1Faces1)

datumAxis = mdb.models[modelName].rootAssembly.instances[name + str(1)].datums[1]

mdb.models[modelName].BoltLoad(name=name + '_BoltLoad', createStepName='Pretension',

region=region, magnitude=boltload, boltMethod=APPLY_FORCE, datumAxis=datumAxis)


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A.3 screwDB.py

from abaqusGui import *

###########################################################################

# Class definition

###########################################################################

class screwDB(AFXDataDialog):

#----------------------------------------------------------------------

def __init__(self, form):

AFXDataDialog.__init__(self, form, 'Create Screw',

self.OK|self.CANCEL, DIALOG_ACTIONS_SEPARATOR)

va = AFXVerticalAligner(self)

AFXTextField(va, 20, 'Name of the screw:', form.nameKw, 0)

AFXTextField(va, 10, 'Diameter of the head:', form.screw_head_widthKw, 0)

AFXTextField(va, 10, 'Height of the Head:', form.screw_head_heightKw, 0)

AFXTextField(va, 10, 'Diameter of the shaft:', form.screw_shaft_widthKw, 0)

AFXTextField(va, 10, 'Height of the shaft:', form.screw_shaft_heightKw, 0)

AFXTextField(va, 10, 'Diameter of the nut:', form.screw_nut_widthKw, 0)

AFXTextField(va, 10, 'height of the nut:', form.screw_nut_heightKw, 0)

AFXTextField(va, 10, 'Bolt load force:', form.boltloadKw, 0)

Documents

73403729 Studienarbeit Shane Lilley FINAL