Połączenia śrubowe SOLIDWORKS

Dzisiaj prawie wszystko łączy się za pomocą śrub. Połączenia śrubowe w SOLIDWORKS występują w konstrukcjach stalowych, motoryzacji, lotnictwie, komputerach, meblach, sprzęcie domowym, a także we wszelkiego rodzaju maszynach i to nie tylko przemysłowych. Na dzień dzisiejszy, pozycja śruby nie jest zagrożona, nie wymyślono nic, co mogłoby ją zastąpić.

Historia śruby

Pierwowzorem dzisiejszej śruby, jest tzw. śruba Archimedesa, nie będąc elementem złącznym, ani elementem Toolbox, ale urządzeniem do podnoszenia wody. Najprawdopodobniej Archimedes nie wymyślił jej sam. Znawcy historii uważają, że starożytni Egipcjanie skonstruowali urządzenie do nawadniania pól uprawnych w pobliżu Nilu, które opisał Pliniusz.

Pliniusz (ok. 61-113 r. n.e.) opisał drewnianą śrubę, która była kolejną iteracją śruby i była używana w procesie produkcji wina oraz tłoczenia oliwy z oliwek. Rysunek techniczny wtedy bardzo odbiegał od standardów w SOLIDWORKS, a brak SOLIDWORKS PDM spowodował, że nie zachował się żaden opis procesu produkcji takiego elementu. Pierwsze niedrewniane śruby składały się z pręta i owiniętego wokół niego drutu. Powtarzalność wymiarowa był żadna, a wykonanie dwóch identycznych, prawie niemożliwe.

Na pierwszą poważną tokarkę do gwintów trzeba było czekać do 1770 roku, kiedy to Jesse Ramsdey rozpoczął współczesną karierę śrub.

Definicje połączeń śrubowych SOLIDWORKS

Co to jest śruba?

Rozpatrujemy śrubę, będącą elementem konstrukcyjnym, jako maszynę prostą, która jest równią pochyłą nawiniętą na walec.

Co to jest połączenie śrubowe?

Połączenie śrubowe — rozłączne połączenie kształtowe elementów, połączonych dodatkowymi elementami złącznymi.

Co to jest połączenie gwintowe?

Połączenie gwintowe — połączenie rozłączne bezpośrednie kształtowo-cierne, gdyż łącznikami wiążącymi są występy i odpowiadające im wgłębienia, w postaci gwintów.

Po więcej definicji zapraszam do fachowej literatury Antoniego Biegusa, czy Kazimierz Łyczko.

Gwinty w SOLIDWORKS

Modelowanie ręczne

Niezależnie czy będzie to gwint zewnętrzny, czy wewnętrzny niezbędne są dwa elementy: profil i ścieżka w postaci spirali. Dla każdego elementu niezbędne są parametry, które opiszą geometrię.

A w efekcie dadzą gotową geometrię gwintu.

Podejście takie może odwzorować dokładnie geometrię połączenia śrubowego SOLIDWORKS, jednak nie wnosi do modelu nic poza skomplikowaną geometrią, którą sprzęt komputerowy musi przeliczać, przy każdym obrocie modelu. Taki model używa się w dwóch przypadkach. Pierwszym jest projekt samej śruby. Drugim przypadkiem są wizualizacje, na których uwidacznia się taki gwint. Bazując na modelach 3D, można przygotować taką wizualizację w SOLIDWORKS Visualize.

Model uproszczony gwintu

Aby uprościć sprawę w codziennym projektowaniu, stosujemy w modelu kilka uproszczeń, analogicznych do tych używanych w rysunku technicznym. Gwint na modelu przyjmuje formę reprezentacji, która opisuje parametry gwintu.

Tak przygotowany gwint na modelu 3D zawiera informację o niezbędnych parametrach potrzebnych w rysunku maszynowym.

Uproszczenia na modelu 3D pozwalają na czytelne przedstawienie gwintu na rysunku 2D, jednocześnie odciążając sprzęt i skracając czas przygotowania projektu.

Elementy Toolbox

Wychodząc naprzeciw potrzebom konstruktorów, którzy w swoich projektach korzystają, czasem z tysięcy, połączeń śrubowych, SOLIDWORKS wyposażony jest w Toolbox. Biblioteka elementów złącznych i nie tylko pozwala na skrócenie procesu projektowania połączeń śrubowych do minimum. Każdy element Toolbox, który ma gwint występuje w trzech konfiguracjach, jego wyświetlania: Uproszczony, Zarys, Schematyczny. Pozwala to na wybór prezentacji gwintu na modelu 3D.

Aby wykonać połączenie śrubowe w SOLIDWORKS z użyciem elementów Toolbox, wystarczy przeciągnąć wybrany element z biblioteki do przestrzeni roboczej. Jeżeli element zostanie przeciągnięty na otwór, system automatycznie dobierze odpowiednią średnicę. Podobnie z nakrętką. Po przeciągnięciu nakrętki na śrubę dobrana zostanie średnica, a także wiązania mechaniczne.

Tak przygotowane wystąpienie, korzystając z definicji szyku, może pomóc automatycznie wypełnić pozostałe otwory.

Istnieje wiele sposobów jak pracować z połączeniami śrubowymi w SOLIDWORKS, ten krótki artykuł nie jest w stanie wyczerpać tematu. Dla zainteresowanych dwa szkolenia: “CAD Zaawansowany” oraz “CAD Refresher“. Gdzie dowiesz się więcej.

Połączenia śrubowe w analizach inżynierskich

Analiza metodą elementów skończonych wymaga jeszcze większego uproszczenia gwintów i połączeń śrubowych, aby sprawnie przeprowadzić analizę. Dla potrzeb SOLIDWORKS Simulation geometria elementów łączących jest pomijalna. Istotna jest definicja takiego połączenia przy pomocy parametrów opisujących punkt połączenia śrubowego. Do tego służą narzędzia Złącza (wiązanie śrubowe), które pozwalają zdefiniować połączenie śrubowe na potrzeby analizy statycznej, z uwzględnieniem takich parametrów jak obciążenie wstępne. Na potrzeby analizy MES, połączenie śrubowe reprezentowane jest przez “paczkę” informacji, opisanych przy krawędziach modelu. W niektórych przypadkach, gdy śruba wkręcona jest w element, który nie jest przedmiotem analizy, użyjesz definicji wirtualnej ściany i śruby fundamentowej. Do projektowania połączeń konstrukcyjnych w kontekście metody elementów skończonych, określamy dwie charakterystyczne krawędzie na modelu, które pozwalają zdefiniować złącze. Jeżeli użyliśmy elementy Toolbox, SOLIDWORKS Simulation automatycznie konwertuje modele 3D, które zostają wyłączone z analizy, na złącza, zawierające pełną definicję.

Wyniki analiz statycznych przedstawią mapy naprężeń, a także przemieszczeń dla obiektów bryłowych, z uwzględnieniem wiązań śrubowych w węzłach połączeniowych, pomijając wyłączone z analizy modele elementów złącznych.

Dla elementów złącznych wartości naprężeń w postaci sił i momentów przedstawiane są w postaci tabeli. Wskazuje ona jednocześnie w wizualny sposób, które połączenia śrubowe przeszły, a które nie przeszły walidacji wytrzymałościowej. Następnie dane z tabeli można wyeksportować w formacie CSV i poddane dalszej analizie.

Podsumowanie

Świat wirtualny przyjmuje pewne założenia upraszczające. W przypadku modelowania połączeń śrubowych SOLIDWORKS jest to sposób wyświetlania gwintów. Analizy inżynierskie pozwalają, a jednocześnie wymuszają większy stopień uproszczenia geometrii, zastępując elementy złączne definicją w postaci złącza. Uproszczenie geometrii skraca czas obliczeń, a następnie daje łatwe do analizy informacje na temat połączeń śrubowych. Biblioteka Toolbox SOLIDWORKS automatyzuje prace związane z projektowaniem połączeń konstrukcyjnych, a także procesem przygotowania analiza metodą elementów skończonych. Dokumentacja złożeniowa 2D, na których występują węzły połączeniowe, pomimo uproszczeń 3D, przekazuje pełny zestaw niezbędnych informacji. W tym zakresie SOLIDWORKS usprawnia codzienną pracę, tak też się dzieje w innych obszarach, gdzie zastosowanie mają aplikacje SOLIDWORKS, ale również rozwiązania chmurowe 3DEXPERIENCE.