L’utilizzo dei collegamenti bullonati è sicuramente la soluzione più diffusa per il montaggio delle parti di una macchina. Affinché il nostro modello ad elementi finiti sia in grado di prevedere correttamente la distribuzione delle forze, delle deformazioni e delle sollecitazioni è fondamentale schematizzare nella maniera migliore questo tipo di giunzione.

Modellare i collegamenti bullonati con Simcenter Nastran

Con il solutore Simcenter Nastran esistono varie tecniche di modellazione FEM per discretizzare il collegamento tra la vite, il dado e le parti in contatto: da quelle più semplici a quelle più sofisticate, in base al livello di dettaglio che è richiesto dallo studio:

  • Mediante elementi elastici (elementi BEAM o BUSH) collegati alle flange mediante elementi rigidi (ad esempio RBE2).
  • Modellando in 3D la vite con elementi solidi, in maniera da determinare lo stato di sollecitazione indotto dal contatto tra il sotto-testa della vite (o il dado) e le parti da collegare.
  • Un ibrido dei due.

Nelle figure seguenti sono mostrati due modi differenti di modellare le viti.

Modellazione delle viti mediante elementi BEAM e RBE2

 

Modellazione delle viti mediante elementi solidi

 

Il Linear Contact di Simcenter Nastran

Quando si vuole modellare il contatto tra le parti flangiate e le viti, il solutore Simcenter Nastran mette a nostra disposizione una procedura di analisi che prende il nome di Linear Contact, ovvero “contatto linearizzato”. Con questa procedura, all’interno di una analisi di tipo lineare il solutore verifica la presenza delle relazioni di contatto tra le parti al fine di determinare l’effettiva distribuzione di carico nella zona di interfaccia tra i corpi. L’analisi di Linear Contact si attiva automaticamente quando nel modello vengono definite relazioni di contatto tra le parti.

Il Bolt Preload di Simcenter Nastran

Oltre all’utilizzo del Linear Contact, gli utilizzatori di Simcenter Nastran possono definire anche un particolare tipo di carico che prende il nome di Bolt Preload, ovvero “precarico del bullone”. Questo carico, come dice il nome, applica uno stato di trazione iniziale agli elementi elastici utilizzati per schematizzare le viti, in maniera da precaricare le due flange del collegamento. Con questo tipo di carico, Simcenter Nastran esegue delle iterazioni interne al caso di carico per determinare lo stato di deformazione e sollecitazione iniziale del modello, imponendo alle viti il precarico iniziale desiderato.

Come si può immaginare, Linear Contact e Bolt Preload sono spesso utilizzati contemporaneamente in quanto rappresentano due aspetti che concorrono nella simulazione FEM di un giunto bullonato.

Sia il modellatore Simcenter 3D che Femap dispongono dei comandi che servono per definire sia le relazioni di contatto che il Bolt Preload all’interno dello scenario di analisi.

Modellazione dei collegamenti bullonati con Simcenter 3D

Creare con Simcenter 3D un modello Simcenter Nastran che comprenda sia contatto tra le parti che collegamenti bullonati precaricati è un’operazione molto semplice. Qualche tempo fa abbiamo realizzato un webinar interamente dedicato alla schematizzazione delle giunzioni bullonate con Simcenter 3D (il programma allora si chiamava ancora NX CAE).

Di seguito trovi un breve estratto dalla registrazione del seminario, dove abbiamo applicato questo tipo di schematizzazione alla scatola di un riduttore, soggetto a uno stato di pressione interna. Nel video facciamo vedere come cambino sia lo stato di sollecitazione che quello di deformazione nella zona di contatto a causa delle pressioni interne alla scatola e come, grazie alla presenza delle viti precaricate, sia possibile utilizzare i risultati dell’analisi FEM per verificare la tenuta della giunzione.

Puoi vedere il video integrale del seminario attraverso questo link:

Analisi supportate dal Bolt Preload

L’uso del Bolt Preload è consentito in tutte le analisi lineari (SOLs 101, 103, 105, da 107 a 112), nel solutore Multi-Step Non Linear (SOL 401 e 402) e nel solutore Advanced Non Linear (SOL 601) di Simcenter Nastran.

In particolare è interessante l’utilizzo che si può fare del Bolt Preload nelle analisi dinamiche, per modellare in maniera più fedele la rigidezza dei collegamenti.

A titolo di esempio abbiamo creato il modello FEM di una semplice giunzione tra due piastre, collegate tra di loro mediante da una sola vite precaricata. Per attivare il Bolt Preload in Simcenter Nastran è sufficiente impostare l’analisi con due subcase:

  • Per primo bisogna definire un Subcase di tipo Static nel quale richiamare sia il precarico delle viti che un sistema di vincolo almeno isostatico. Questo serve per chiedere a Simcenter Nastran di determinare lo stato di precarico nel modello, determinato dall’azione del precarico.
  • Successivamente è possibile definire il Subcase di tipo Eigenvalue Method, con il quale richiedere l’estrazione degli autovalori e il calcolo delle forme modali.

Definizione del Subcase di tipo Static per il calcolo del precarico anche nelle analisi modali con Simcenter Nastran

Sul modello della giunzione sono state eseguite due analisi, con e senza il Bolt Preload, per vedere come cambiano i risultati. La tabella seguente riassume i risultati delle analisi, mentre le figure mostrano i primi 3 modi delle due simulazioni (a SX con il precarico, a DX senza precarico). E’ evidente come il contributo del precarico porti a un sostanziale irrigidimento della giunzione.

Modo Con Bolt Preload [Hz] Senza Bolt Preload [Hz] Differenza [Hz] Differenza [%]
1 67.2 52.0 -15.2 -23%
2 260.1 231.5 -28.6 -11%
3 311.7 243.1 -68.6 -22%
4 644.2 314.7 -329.5 -51%
5 758.5 688.7 -69.8 -9%
6 838.3 715.6 -122.8 -15%

 

Modo #1: Contronto tra modello con bolt preload (SX) e modello senza bolt preload (DX)

 

Modo #2: Contronto tra modello con bolt preload (SX) e modello senza bolt preload (DX)

 

Modo #3: Contronto tra modello con bolt preload (SX) e modello senza bolt preload (DX)

Da questo esempio è evidente come l’effetto del precarico nei collegamenti bullonati possa avere un effetto non trascurabile non solo nelle analisi strutturali ma anche nelle analisi dinamiche.

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