Ach du Schraube – wie krieg ich die Dichtung da rein?

In diesem Blogpost möchten wir Ihnen einen Einblick in die Modellierung von Dichtungen im Schraubverbund geben. Grund für diese Themenauswahl waren mehrere Kundenanfragen bezüglich des „Einschrumpfens“ von Elastomer-Dichtungen sowie des Abbildens von Presspassungen. Die Methode in Abaqus ist für Presspassungen und Elastomer-Dichtungen die Gleiche. Es wird eine Bauteildurchdringung spannungsbehaftet aufgelöst. In diesem Zusammenhang wurde auch eine möglichst detaillierte Abbildung von Schraubenverbindungen – bei vertretbarem Rechenaufwand – mehrfach angefragt.

1. Modellbeschreibung

Das Modell ist recht einfach aufgebaut. Zwei Flansche (blau) sollen mit fünf Schrauben miteinander verbunden werden. Zwischen den Flanschen befindet sich ein Kunststoffring an dem auf der Innenseite eine Elastomer-Dichtung vulkanisiert wurde. Mit der Simulation soll folgendes überprüft werden:

A. Ist der Sitz der Dichtung in Ordnung?

B. Werden zulässige Spannungen oder Dehnungen überschritten?

2. Geschwindigkeitsvorteil – Schnelle Modellierung durch Skripte

Schraubverbindungen können großen Einfluss auf die Spannungsverteilung in Bauteilen haben. Eine detaillierte Abbildung von Schrauben in der Simulation ist deshalb vom technischen Standpunkt häufig sinnvoll und teilweise sogar notwendig. Die detaillierte Modellierung von Schrauben kann allerdings sehr zeitaufwendig sein. Dies gilt sowohl für die Modellierungs- als auch für die Rechenzeit. Eine Möglichkeit Schraubenverbindungen effizient und detailliert darzustellen, bietet ein individuell programmiertes Plug-In für Abaqus/CAE. Schrauben sind in den meisten Fällen Standardbauteile mit genormten Eigenschaften. Dieser Umstand ermöglicht es, Datenbanken mit Schraubentypen anzulegen und die Schrauben anschließend automatisiert in ein FEM-Modell einzufügen. Der Modellierungsaufwand für eine Schraube reduziert sich so auf unter eine Minute.

3. Kontaktdefinition – Zeitersparnis mit General Contact

Die Definition von Kontaktpaaren bedeutet meist viel Aufwand. Dies gilt sowohl für den manuellen Aufwand im Modellaufbau als auch für den rechnerischen Aufwand für den Solver. Um den Aufwand beim manuellen Modellaufbau zu minimieren stellt Abaqus zwei Ansätze zur Verfügung. Der mit Abstand komfortabelste Ansatz ist die Verwendung des General Contact. Bei dieser Methode wird für alle möglichen Kontakte im Modell – inklusive Selbstkontakt – eine entsprechende Kontaktbedingung eingefügt. Auf diese Weise kann der Kontakt innerhalb weniger Minuten definiert werden und es wird vermieden, dass einzelne Kontaktpartner nicht berücksichtigt werden. Diese Art der Kontaktdefinition bietet allerdings – auf den ersten Blick – auch zwei Nachteile:

A. Viele Kontaktflächen benötigen viel Rechenzeit.

B. Nicht alle Kontaktpaare haben die gleichen Kontakteigenschaften.

Um diese beiden Nachteile zu eliminieren, bietet der General Contact zwei Möglichkeiten. Es können Bereiche von denen man sicher ist, dass sie nicht in Kontakt kommen, vom General Contact ausgeschlossen werden. Dies kann die benötigte Rechenzeit deutlich reduzieren. Weiter hin können im General Contact für einzelne Kontaktpartner individuelle Eigenschaften festgelegt werden. Auf diese Weise lassen sich die meisten Kontaktzustände im Modell schnell und effizient abbilden. Zum spannungsbehafteten Auflösen der Kontaktstellen wird dem Kontakt für die Initialisierung im „Initial Step“ die Funktion „Treat as interference fits“ zugewiesen. Nun wird die Dichtung spannungsbehaftet eingeschrumpft und die resultierenden Verformungen und Belastungen können bewertet werden.

4. Kontaktdefinition – Zeitersparnis durch „Find Contact Pairs“

Die Kontaktdefinition mit Hilfe der „General Contact Funktion“ ist eine sehr schnelle und komfortable Art und Weise um Modelle mit großen Baugruppen und vielen Kontaktflächen aufzubauen. Häufig haben Modelle allerdings nur in wenigen Bereichen tatsächlich relevante Kontaktpartner oder es müssen viele unterschiedliche Kontakteigenschaften definiert werden. In diesen Fällen bietet sich die Verwendung der Funktion „Find Contact Pairs“ an. Hinter dieser Funktion versteckt sich ein Suchalgorithmus welcher mögliche Kontaktpartner nach vom Nutzer vorgegebenen Suchkriterien ermittelt. Im Anschluss können für die gefundenen Kontaktpartner jeweils individuelle Eigenschaften festgelegt werden. Weiterhin kann der Typ auch von Kontakt auf „Tie-constraint“ geändert werden, um Bauteile fest miteinander zu verknüpfen.

5. Kontaktdefinition – Anwendung im Modell

Bei der Kontaktdefinition – wie bei fast allen Tätigkeiten – steht die Effizienz der Vorgehensweise im Vordergrund. Der General Contact ist sehr schnell und einfach in der Definition, hat aber häufig längere Rechenzeiten zur Folge. Die Definition einzelner Kontaktpartner bedeutet mehr Aufwand bei der Modellierung. Dafür bietet diese Vorgehensweise Potenzial um die Rechenzeiten zu reduzieren. Im beschriebenen Modell wird eine Kombination aus beiden Vorgehensweisen gewählt, um die maximale Effizienz hinsichtlich Modellierungszeit und Rechenzeit zu erreichen. Es wird ein General Contact definiert aus dem alle Flächen, die nicht an die Elastomerdichtung angrenzen, ausgeschlossen werden. Auf diese Weise werden im Bereich der Dichtung alle möglichen Kontaktpartner und auch Selbstkontakt berücksichtigt. Weiterhin wird im General Contact auch die Auflösung der Durchdringung von der Dichtung und den umliegenden Bauteilen definiert. Alle Bereiche die nicht mit der Dichtung in Kontakt kommen können werden vom Kontakt ausgeschlossen. In einem zweiten Schritt werden mit der Funktion „Find Contact Pairs“ die Kontaktpartner außerhalb des Dichtungsbereichs ermittelt. So können die Kontakteigenschaften hinsichtlich minimaler Rechenzeiten optimiert werden.

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