Оптимальный метод: использование крепежа в Creo Simulate
Обзор
Крепеж используется для соединения двух компонентов в сборке.
Инструмент крепежа в
Creo Simulate создает идеализацию крепежа. Крепеж служит в первую очередь для того, чтобы дать представление о передаче нагрузки через структуру, в противоположность объединяющему интерфейсу и жестким связям, соединяющим поверхности. В
Creo Simulate версии 2.0 и выше крепеж по умолчанию моделируется через идеализацию балки Тимошенко, которая использует матрицу жесткости 12x12, чтобы обеспечить повышенную точность. В этом типе моделирования принимаются во внимание продольные силы, а также жесткость на сдвиг, кручение и изгиб. Существует ряд
автоматически создаваемых измерений, которые описывают различные количественные показатели, вычисленные для крепежа во время анализа.
При моделировании крепежа необходимо помнить, что в действительности между стержнем крепежного элемента и отверстием нет никакого контакта. Можно моделировать как крепежные винты, так и болты. Крепеж может быть смоделирован для твердотельных моделей и оболочек. Существует ряд
предварительных условий при использовании крепежа в модели. Если эти условия не соблюдаются, то крепеж либо не может быть использован, либо во время создания крепежа или проведения анализа будут появляться сообщения об ошибках и предупреждения.
В этом документе подробно рассматривается ряд концепций, которые помогут понять, как лучше всего использовать крепеж в Creo Simulate.
Чтобы получить более детальное описание функциональности, воспользуйтесь ссылками в конце документа.
Создание крепежа путем указания диаметра и материала
Сечение крепежа с болтом между двумя компонентами твердого тела показано на следующем рисунке:
1. Верхний компонент
2. Нижний компонент
3. Созданные кольцевые области удерживаются в контакте с помощью механизма "Фиксировать разделение" (Fix Separation)
4. Диаметр хвостовика крепежа
5. Диаметр головки крепежа и гайки
6. Диаметр для испытания разделения
Рис. 1
Необходимо учитывать определенные правила при задании следующих численных значений:
1. Диаметр (Diameter) - по умолчанию это диаметр самого маленького отверстия в крепеже. Не задавайте здесь значения, превышающие диаметр самого маленького отверстия.
2. Диаметр головки крепежа и гайки (Fastener Head and Nut Diameter) - диаметр головки болта, а также диаметр гайки, если это крепежный болт. Это значение должно быть больше, чем диаметр.
3. Диаметр для оценки разделения (Separation Test Diameter) - диаметр кольцевых областей, создаваемых вокруг крепежа, которые удерживаются в контакте с помощью механизма Фиксировать разделение (Fix Separation). Это значение должно быть больше диаметра головки и гайки. Кроме того, оно должно быть по крайней мере вдвое больше диаметра стержня болта. Рекомендуется создавать области поверхности внутри диаметра для оценки разделения.
Сведения о границе контакта в крепеже
По умолчанию контакт в крепеже представляет собой свободное соприкосновение.
Самый точный метод для моделирования контакта между двумя скрепленными деталями в модели - это создание истинной границы контакта. Когда один компонент скреплен с другим, он не должен проникать внутрь этого компонента. Механизм Фиксировать разделение (Fix Separation) быстро и просто аппроксимирует контакт между двумя деталями. При установке флажка Фиксировать разделение (Fix Separation) два компонента удерживаются в контакте с помощью механизма Фиксировать разделение (Fix Separation). Жесткие распределенные пружины класса "поверхность-поверхность" препятствуют взаимному проникновению двух деталей. Эмпирическое правило относительно того, когда использовать Фиксировать разделение (Fix Separation), а когда контакты:
• Если в модели определены границы контакта и вы хотите в дополнение к этому задать крепеж, то рекомендуется добавить границы контакта там, где компоненты будут скреплены. В этом случае необходимо сбросить флажок Фиксировать разделение (Fix Separation), так как анализ в режиме Фиксировать разделение (Fix Separation) является линейным, а контактный анализ - нелинейным.
• Фиксировать разделение (Fix Separation) - хороший вариант, когда усилие сжатия прикладывается в основном в месте контакта. После того как анализ будет выполнен, просмотрите файл rpt. Если механизм Фиксировать разделение (Fix Separation) отработал неправильно, в файле rpt будет присутствовать следующее сообщение:
"Опция фиксирования разделения для крепежа препятствует разделению деталей в расположениях, в которых они должны разделяться. Поэтому результаты этого анализа могут быть неточными. Следует отключить опцию фиксирования разделения для крепежа и при необходимости ввести контактный интерфейс между деталями, соединенными крепежом". (The fix separation option for the fastener is preventing the parts from separating at locations where they should separate. Hence, the results for this analysis may be inaccurate. You should turn off the fix separation option for the fastener and, if desired, introduce a contact interface between the parts that are connected by the fastener.)
Другим индикатором того, правильно ли работает механизм Фиксировать разделение (Fix Separation), является измерение fastenerName_intf_norm_forc. Автоматически созданное измерение fastenerName_intf_norm_forc отслеживает результирующую нормальную силу между двумя скрепленными компонентами в кольцевой области с фиксацией разделения. Это измерение Ft-Fc, где:
Ft - сила растяжения в кольцевой области
Fc - сила сжатия в кольцевой области
Исследовать значение этого измерения можно в файле rpt. Отрицательное значение измерения указывает, что имеет место сжатие и что механизм Фиксировать разделение (Fix Separation) работает правильно. Положительные значения указывают на наличие результирующего растяжения и разделения компонентов. Например, в простой модели, показанной ниже, две квадратные пластины стянуты болтом, проходящим через отверстия в центре. Выберите Фиксировать разделение (Fix Separation) и задайте нагрузки 1000 фунтов массы/сек2 на каждой из пластин. Задайте преднагружение 500 фунтов массы/сек2. Флажок Учет жесткости (Account for Stiffness) должен быть установлен. Нагрузки стремятся разделить пластины, в то время как пружины механизма Фиксировать разделение (Fix Separation) пытаются удержать их скрепленными.
1. Сила -1000 фунт-масса/сек2 в отрицательном Z-направлении. 2. Сила 1000 фунт-масса/сек2 в положительном Z-направлении. 3. Соединение болтом создано при выбранной опции Фиксировать разделение (Fix Separation) Рис. 1 | Рис. 2 | 1. Область, где детали стремятся разделиться Рис. 3 |
После выполнения статического анализа значением измерения fastenerName_intf_norm_forc является 179.3237 фунтов массы/сек2, что указывает на растяжение. В этом случае пружинный механизм Фиксировать разделение (Fix Separation) пытается удержать две детали скрепленными. Это может привести к неверному результату. В этом случае необходимо сбросить флажок Фиксировать разделение (Fix Separation) и задать контактный анализ между соприкасающимися деталями.
Преднагружения крепежа
В версиях
Creo Simulate 3.0 и выше при использовании механизма
Фиксировать разделение (Fix Separation) доступен флажок
Учет жесткости (Account for Stiffness), который используется совместно со значением преднагружения.
В более ранних версиях продукта необходимо было выполнить два анализа и вычислить преднагружение на основе значения осевой силы в крепеже в первом анализе. Creo Simulate версии 3.0 и выше автоматически вычисляет масштабированное значение, чтобы заданное пользователем значение преднагружения являлось фактическим преднагружением крепежа.
При установке флажка Учет жесткости (Account for Stiffness) принимается во внимание деформация модели, что выражается в более низком значении растягивающей или продольной силы в крепеже. Масштабирование, применяемое к преднагружению, вычисляется путем первого базового анализа без примененной внешней нагрузки. Второй анализ выполняется с примененными внешними нагрузками и использует скорректированное значение преднагружения, вычисленное при базовом анализе. Рассмотрим следующий пример.
1. На рис. 1 показана простая модель, состоящая из двух квадратных пластин единичной длины, скрепленных болтом через сквозные отверстия в центрах. В направлении X вдоль верхней поверхности пластины 1 приложена нагрузка 100 фунтов массы/сек2.
a. Пластина 1 b. Пластина 2 c. Крепежный болт, проходящий через пластину 1 и пластину 2. Рис. 4 | Выбрано "Включить преднагружение" (Include Preload) Рис. 5 |
2. Выберите Включить преднагружение (Include Preload) и установите флажок Учет жесткости (Account for Stiffness) как показано на рис. 5.
3. Задайте преднагружение 500 фунтов массы/сек2 и выполните статический анализ.
4. Перейдите в папку анализа и откройте файл rpt для анализа. Файл rpt показывает, что выполнено два последовательных анализа. Первым является базовый анализ, который рассматривает преднагружение как единственную нагрузку в модели - все внешние нагрузки при расчете игнорируются. В файле rpt присутствует строка "Базовый анализ для масштабирования преднагружений крепежа" (Base Analysis to scale Fastener Preloads). Значение продольной силы в крепеже ниже, чем заданное преднагружение. В данном случае это 201.22 фунтов массы/сек2
5. Далее в файле rpt видна строка "Анализ с масштабируемыми преднагружениями крепежа и внешними нагрузками" (Analysis with scaled fastener preloads and external loads). Здесь использовано масштабированное преднагружение крепежа, которое вычислено при базовом анализе. Видно, что значение продольной силы в крепеже теперь очень близко к 500 фунтам массы/сек2, которое было задано для преднагружения.
Если выбрано Включить преднагружение (Include Preload), но не выбрано Учет жесткости (Account for Stiffness), то необходимо сделать вышеупомянутые расчеты вручную.
В этом случае первый анализ выполняется без какой-либо внешней нагрузки. Значение продольной силы в крепеже используется в следующей формуле:
Fi = (Fn)2/Fp
где Fi - входное значение преднагружения
Fn - номинальная входная нагрузка при статическом анализе
Fp - продольная (растягивающая) сила в крепеже, полученная при статическом анализе
Для преднагружения, равного 500 (Fn), задайте в первом анализе значение 500 для Силы преднагружения (Preload Force). Значение осевой силы в крепеже (Fp) в первом анализе равно 261.6535.
Заменяя этими значениями в формуле значение Fi (требуемое входное преднагружение), мы должны были бы фактически ввести Силу преднагружения (Preload Force), приблизительно равную 956.5588. Если мы выполним второй анализ без внешних сил и введем значение преднагружения 960, то увидим, что значение продольной силы в крепеже в файле rpt очень близко к 500 - то есть именно нужное нам преднагружение.
Создание нескольких крепежных элементов
Хотя создание массива крепежных элементов не поддерживается, можно скопировать и вставить крепеж нужное число раз вместе со всеми его свойствами.
Копирование и вставка крепежа
1. Выберите крепеж, который вы хотите скопировать, в дереве модели или в графическом окне.
2. Щелкните правой кнопкой и выберите Копировать (Copy).
3. Щелкните правой кнопкой и выберите Вставить (Paste).
4. Открывается диалоговое окно Определение крепежа (Fastener Definition), где показаны все поля, которые были определены для скопированного крепежа.
5. Задайте привязки для вновь создаваемого крепежа. Измените другие поля, как вам требуется.
6. Нажмите кнопку ОК, чтобы создать копию крепежа. Можно многократно вставить один и тот же скопированный крепеж.
Интерфейс пользователя для работы с крепежом и матрица поддерживаемых функций
В следующей матрице приведены поддерживаемые функции и соответствующие опции интерфейса пользователя.
| Болт "точка-точка" | Болт "кромка-кромка" | Винт | Общие ограничения |
Соединения оболочек | Да | Да | Нет | |
Соединяющие твердые тела | Нет | Да | Да |
Фиксация разделения | Н/Д | Да | Да |
| Если флажок Фиксировать разделение (Fix Separation) установлен, а флажок Интерфейс без трения (Frictionless Interface) снят, весь сдвиг передается через границу контакта. С другой стороны, если флажок Интерфейс без трения (Frictionless Interface) установлен, вся сила сдвига передается через болт. |
[Включить преднагружение] | Н/Д | Да | Да |
Учет жесткости | Н/Д | Да | Да |
Если между скрепленными компонентами вручную определен контактный интерфейс, опции Фиксировать разделение (Fix Separation) и Интерфейс без трения (Frictionless Interface) в крепеже полностью игнорируются и сдвиг определяется следующим образом.
• Бесконечное трение - весь сдвиг передается через интерфейс
В некоторых случаях, в зависимости от относительной жесткости крепежа и интерфейса, небольшая часть сдвига может передаваться через крепеж
• Без трения - весь сдвиг передается через крепеж
• Конечное - сдвиг разделяется между интерфейсом и крепежом.
Определяется значениями жесткости крепежа и трения в контактном интерфейсе
