background image

X L V I I I     K O N F E R E N C J A     N AU K O W A 

KOMITETU  INŻ YNIERII  LĄ DOWEJ  I  WODNEJ  PAN 

I  KOMITETU  NAUKI  PZITB 

Opole – Krynica

 

2002

 

 
 
 
 
 
 
Jan A. KARCZEWSKI

1

 

Stanisław WIERZBICKI

2

 

Paweł KRÓ L

3

 

 
 
 

KOMPUTEROWE MODELOWANIE  

WIELOŚ RUBOWEGO POŁ Ą CZENIA SPRĘ Ż ONEGO 

 
 

1.  Wprowadzenie 

 
O tym czy stalowa konstrukcja budowlana została prawidłowo zaprojektowana i wykonana 
decydują, w wię kszości przypadków, dwa podstawowe kryteria: nośności i odkształcalności. 
Wpływ na spełnienie obu tych kryteriów ma prawidłowe przyję cie przekrojów oraz właściwe 
rozwiązanie połączeń . Nośność  wię kszości typowych połączeń  nie budzi na ogół wię kszych 
wątpliwości i może być  wyznaczona według znanych metod obliczeniowych, W niektórych 
przypadkach,  jednakże,  metody  te  pozostawiają  w  połączeniu  znaczne  rezerwy  nośności. 
Wykorzystanie  czę ści  tych  rezerw  wymaga  jednak  rozwinię cia  metod  wymiarowania 
połączeń  uwzglę dniających, poza nośnością, także ich odkształcalność . Przykładem może tu 
być   nakładkowe  połączenie  sprę żone,  które  w  porównaniu  z  analogicznym  połączeniem 
ciernym  charakteryzuje  się   wyższą  nośnością  przy  mniejszych  kosztach  (wynikających  z 
oszczę dności  na  przygotowaniu  powierzchni)  i  niewiele  wię kszej  odkształcalności,  a  w 
porównaniu  z  połączeniem  niesprę żonym  jest  znacznie  mniej  odkształcalne  przy 
porównywalnej nośności.  
 

Opracowanie  właściwych  metod  wymiarowania  takich  połączeń   wymaga  poznania 

wielu  zachodzących  w  nim  zjawisk,  wpływających  zarówno  na  nośność   jak  i  odkształ-
calność . Próby obserwacji i obliczeniowego uję cia takich zjawisk podejmowano już od wielu 
lat,  jednakże  brak  odpowiednich  metod  obliczeniowych  i  doświadczalnych  uniemożliwiał 
dokładniejsze  rozpoznanie  zagadnienia.  Ponieważ  istotne  znaczenie  mają  tu  zjawiska 
zachodzące wewnątrz połączenia, np. na powierzchniach styku, to mało przydatne są obecnie 
dostę pne metody doświadczalne.  
 

Bardzo  przydatne  okazały  się ,  intensywnie  rozwijane  w  ostatnich  latach  metody 

komputerowe  oparte  na  Metodzie  Elementów  Skoń czonych.  Pozwalają  one  modelowanie  
i obserwację  wielu zjawisk, które dotychczas nie mogły być  opisywane ze wzglę du na brak 
odpowiedniego aparatu. Wymienić  tu należy chociażby rozkłady naprę żeń  czy odkształceń , 

                                                 

1

  Prof. dr hab. inż., Wydział Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej 

2

  Dr inż., Wydział Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej 

3

  Mgr inż., Wydział Inżynierii Lądowej Politechniki Warszawskiej 

background image

 

 

208 

 

które  mogą  być   obserwowane  i  mierzone  w  dowolnym  miejscu  analizowanego  elementu. 
Dostę pne  programy  komputerowe  oparte  na  MES,  takie  jak  Abaqus  czy  Adina  pozwalają 
także  w  stosunkowo  łatwy  sposób  wprowadzać   zmiany  w  opracowanym  już  modelu,  oraz 
dają  niezwykle  plastyczny,  przejrzysty  i  wygodny  w  analizie  porównawczej  z  wynikami 
badań  doświadczalnych obraz zachowania się  analizowanego elementu. 

Omawiany model dwuśrubowego, nakładkowego połączenia sprę żonego oraz niesprę -

żonego stanowi kontynuację  prezentowanego wcześniej modelu połączenia jednośrubowego 
i  jest  kolejnym  krokiem  do  uogólnienia  modelu  i  jego  opisu  w  sposób  możliwy  do  zasto-
sowania w praktyce projektowej. 
 

2.  Fizyczny model połą czenia 

 
Przedmiotem  analizy  jest  połączenie  przedstawione  na  rys.  1.  Jako  materiał  elementów 
połączenia przyję to stal gatunku St3S. Jako łączniki zastosowano śruby M20 klasy 10.9(10). 
Założono  powierzchnie  styku  w  stanie  naturalnym.  W  celu  zminimalizowania  wzajemnego 
oddziaływania  na  siebie  łączników  przyję to  nieco  wię kszy  od  minimalnego  normowego 
rozstaw  śrub;  nie  odbiega  on  jednak  od  stosowanych  w  praktyce.  Pominię to  stosowane  w 
badaniach  doświadczalnych  otwory  służące  do  mocowania  elementu  w  maszynie 
wytrzymałościowej oraz związane z tymi otworami wzmocnienia obszarów docisku trzpieni 
przekazujących  obciążenie  do  ścianek  otworów  –  rys.  2.  Ponieważ  odstę pstwo  to  dotyczy 
fragmentów połączenia bę dących poza obszarem wzajemnego wpływu łączonych elementów 
to nie ma ono istotnego znaczenia dla wiarygodności otrzymywanych wyników. Podstawowe 
zjawiska  bę dące  przedmiotem  analizy  to  odkształcalność   i  związana  z  nią  zależność   P-u 
(siła-przemieszczenie),  rozwój  stref  plastycznych  na  styku  trzpienia śruby  i ścianki  otworu 
oraz rozkład naprę żeń  na elementach połączenia. 
 

 

Rys. 1. Geometria analizowanego połączenia 

 
Określono  granicę   plastyczności  Re  =  285MPa,  wytrzymałość   na  rozciąganie  R

m

=400MPa 

oraz współczynnik tarcia 

m

=0.2, czyli jak dla powierzchni w stanie naturalnym. 

Przyję to  model  materiału  sprę żysto-plastycznego  ze  wzmocnieniem  izotropowym. 

Związki  konstytutywne dla tego rodzaju materiałów  są opisane w podrę cznikach do mechaniki 

background image

 

 

209 

 

 

Rys. 2. Geometria elementu doświadczalnego 

 
konstrukcji. Teoretyczny opis zjawisk kontaktowych i sposobu ich rozwiązania w programie 
Abaqus znajduje się  w podrę czniku do programu [1]. 

Przyjmowano  program  obciążeń   monotonicznie  rosnących,  przy  czym  docelowo 

przewidywany  jest  program  obciążeń   cyklicznie  zmiennych.  Obciążenie  realizowano 
przyrostowo przyjmując zmienny krok przyrostu obciążenia dobierany automatycznie przez 
program. 
 

3. Uję cie numeryczne zagadnienia 

 
Przestrzenny  model połączenia  w uję ciu MES opracowano  przy pomocy programu  Abaqus 
[1],  który  umożliwia  w  szczególności  uwzglę dnienie  efektów  kontaktu  m.in.  tarcia  oraz 
prowadzenie analizy sprę żysto-plastycznej w zakresie dużych odkształceń . 

Prezentowany  model  składa  się   z  niezależnych  czę ści:  nakładek,  blachy  środkowej, 

śrub,  podkładek  i  nakrę tek.  Geometria  połączenia  przygotowana  została  przy  użyciu 
preprocesora programu Abaqus Cae. Model geometryczny połączenia w konwencji metody 
elementów  skoń czonych  został  przedstawiony  na  rys.  3.  Wszystkie  czę ści  modelu  zostały 
zdyskretyzowane  ośmiowę złowymi  trójwymiarowymi  elementami  izoparametrycznymi. 
Model  składa  się   z  około  1500  elementów  skoń czonych  z  2800  wę złami.  W  obszarach,  w 
których spodziewano się  najwię kszych naprę żeń  zagę szczono podział na elementy. Niezbyt 
duża  liczba  elementów  i  wę złów  wynika  z  ograniczeń   komputera,  na  którym  prowadzono 
obliczenia  (ograniczona  ilość   pamię ci  operacyjnej  udostę pnianej  poszczególnych  zadaniom 
obliczeniowym). Jednakże już taka dokładność  modelu okazała się  wystarczająca i pozwoliła 
uzyskać  zadowalające wyniki. Rys. 4 przedstawia geometrię  śruby z nakrę tką i podkładkami 
– wszystkie te elementy są w modelu oddzielnymi bryłami. 

Efekty  kontaktu  i  tarcia  uwzglę dniono  poprzez  założenie  możliwości  zaistnienia 

kontaktu  mię dzy  powierzchniami  poszczególnych  elementów  tj.  blach,  podkładek  i  śrub. 
Zastosowano  algorytm  kontaktu  typu  "master-slave".  W  obszarach  styku  powierzchni 
bocznej śruby i blach połączenia założone zostały małe poślizgi. Dla powierzchni kontaktu 
blach założono możliwość  wystąpienia skoń czonych poślizgów. 

background image

 

 

210 

 

Założono  nastę pujące  modele  materiałowe:  dla  blach  –  materiał  sprę żysto-plastyczny  

z liniowym (izotropowym) wzmocnieniem, dla śruby – materiał liniowo-sprę żysty.  
 

 

Rys. 3. Model geometryczny połączenia 

 

Analizę  numeryczną połączenia prowadzono w trzech etapach. Pierwszym etapem była 

faza  założenia  warunków  brzegowych  oraz  wprowadzenia  kontaktu  w  założonych 
płaszczyznach.  Drugim  etapem  było  sprę żenie.  W  przypadku  połączenia  sprę żonego 
realizowano to poprzez przyłożenie siły sprę żającej 166 kN do każdej ze śrub, podczas gdy 
w  przypadku  połączenia  niesprę żonego  w  trzpienie  śrub  wprowadzono  siły  30  kN,  czyli 
takie,  które  mogą  być   wywołane  w  wyniku  rę cznego  dokrę cenia  śrub.  Obciążenie  to 
realizowano rozciągając trzpienie śrub przy zablokowaniu możliwości przesuwu nakrę tek.  

 

 

Rys. 4. Model geometryczny łącznika 

background image

 

 

211 

 

Trzecim  etapem  było  wprowadzenie  obciążenia  głównego  przykładanego  do  koń ca 

elementu  środkowego  przy  utwierdzeniu  koń ców  nakładek.  Analizę   prowadzono  do 
momentu,  gdy  wymagany  przez  program  kolejny  przyrost  obciążenia  zapewniający 
prawidłowy  przebieg  procesu  iteracji  był  mniejszy  niż  5  kN.  Etap  sprę żenia  i  obciążenia 
wykorzystywał możliwości programu w zakresie analizy geometrycznie nieliniowej.  

W  kolejnych  etapach  obciążenia  uwalniano  czę ść   stopni  swobody  rezygnując  z 

niektórych  podpór.  Procedura  taka  wynikała  z  konieczności  zadeklarowania  we  wstę pnej 
fazie obliczeń  takiej ilości warunków brzegowych aby żaden z 11 niezależnych początkowo 
elementów  nie  mógł  przemieszczać   się   w  sposób  niekontrolowany.  Po  założeniu  kontaktu 
pomię dzy  poszczególnymi  elementami  czę ść   ograniczeń   początkowych  mogła  być   zdję ta,  
a po sprę żeniu usunię to nastę pne ograniczenia, pozostawiając tylko te, które były konieczne 
do przytrzymania obciążanego elementu bę dącego już całością. 
 

4.  Wyniki analizy 

 
Najbardziej  istotna  zależność   opisująca  zachowanie  się   połączenia  śrubowego  to  funkcja 
P(u)  –  (siła-przemieszczenie)  –  rys.  5.  Ponieważ  z  założenia  połączenia  miały  mieć  
powierzchnie przylegania w stanie naturalnym, bez specjalnych zabiegów podwyższających 
współczynnik tarcia, analizę  prowadzono dla współczynnika tarcia o wartości 

m

 = 0.2.  

 

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Przemieszczenie - u [mm]

0

100

200

300

400

500

600

700

S

iła

 -

 P

 [

kN

]

Polaczenie sprezone

Polaczenie niesprezone

 

 

Rys. 5. Krzywa P(u) 

 
Odkształcenia  elementów  w  pierwszej  fazie  obciążenia  tzn.  do  momentu  pierwszego 
poślizgu  są  małe  i  dopiero  przy  obciążeniu  przekraczającym  350  kN  nastę puje  znacznie 
wię kszy  przyrost  odkształceń   przy  stosunkowo  małym  przyroście  obciążeń .  Maksymalne 
obciążenie przekracza 650 kN. po czym nastę puje uplastycznienie materiału odpowiadające 
jego zniszczeniu. Odkształcenie połączenia niesprę żonego przy maksymalnej sile jest ponad 
trzykrotnie wię ksze niż połączenia sprę żonego. 

Z  zależnością  P(u)  ściśle  związane  są  odkształcenia  połączenia.  Na  rys.  6  pokazano 

background image

 

 

212 

 

połączenie  niesprę żone  w  koń cowej  fazie  analizy.  Odkształcenia  połączenia  sprę żonego  są 
znacznie  mniejsze  (analogicznie  do  zależności  siła-przemieszczenie).  Kolejny  rysunek –  rys. 7 
przedstawia odkształcenia otworów w nakładce. Na rysunkach tych wyraźnie widać  wciskanie się  
trzpienia  śruby  zarówno  w  nakładkę   jak  i  w  element  środkowy  i  wydłużanie  się   otworów. 
Zjawisko to ma bardzo podobny charakter jak w przypadku analizowanych wcześniej połączeń  
jednośrubowych i jego doświadczalne potwierdzenie świadczy o poprawności przyję tego modelu. 
 

 

Rys. 6. Widok ogólny odkształconego połączenia niesprę żonego 

 

 

Rys. 7. Odkształcenie otworów w nakładce połączenia niesprę żonego 

 

Na  rys.  8  przedstawiono  rozkład  naprę żeń   Hubera-Misesa  w  elemencie  środkowym 

połączenia  sprę żonego.  Brak  pełnej  symetrii  jest  spowodowany  głównie  niesymetrycznym 
podziałem na elementy skoń czone tego elementu. 

background image

 

 

213 

 

Przeprowadzona  analiza  dostarczyła  znacznie  wię kszej  ilości  informacji  na  temat 

zachowania się  połączenia, takie jak rozkłady  naprę żeń , zasię gi stref plastycznych, rozkład 
stref  wzajemnego  przemieszczania  się   poszczególnych  elementów  i  wartości  tych 
przemieszczeń   w  poszczególnych  punktach,  jednak  ze  wzglę du  na  trudności  z  ich 
prawidłowym  przedstawieniem  w  postaci  czarno-białej  mogą  one  zostać   zaprezentowane 
dopiero w postaci kolorowych przeźroczy. 

Wyniki  uzyskane  na  podstawie  opracowanego  modelu  sprę żonego  połączenia 

śrubowego  bę dą  porównane  z  wynikami  badań   doświadczalnych.  Badania  te  bę dą 
prowadzone dla obciążeń  cyklicznie zmiennych w związku z czym także model połączenia 
zostanie rozszerzony na takie obciążenia. 
 

 

Rys. 8. Rozkład naprę żeń  Hubera-Misesa w elemencie środkowym [kN/cm2] 

 

5. Uwagi końcowe 

 
Wyniki przeprowadzonych obliczeń  potwierdzające rezultaty analogicznych analiz połączeń  
jednośrubowych pozwalają stwierdzić , że analizowany rodzaj połączenia mógłby być  szerzej 
stosowany w praktycznych rozwiązaniach, zastę pując typowe połączenia niesprę żone a także 
cierne. Wymaga to jednak opracowania procedury obliczeniowej takich połączeń   nadającej 
się  do zastosowania w projektowaniu konstrukcji. Drogą do tego jest opracowanie złożonego 
modelu, który pozwoliłyby na analizę  zachowania się  połączeń  o różnych parametrach.  

Duża  zbieżność   wyników  obliczeń   numerycznych  z  badaniami  doświadczalnymi 

obserwowana podczas przeprowadzonych analiz połączeń  jednośrubowych, a także zgodna z 
przewidywaniami  a  także  znanymi  badaniami  doświadczalnymi  archiwalnymi  pozwala 
stwierdzić ,  że  zastosowanie  MES  w  uję ciu  komputerowym  mogłoby  tu  być   bardzo 
przydatne.  Opracowywane  przy  użyciu  MES  modele  mogą  stanowić   uzupełnienie  badań  
doświadczalnych,  które  są  drogie  i  czasochłonne,  a  mogą  je  czę ściowo  zastę pować   jako 
tań sze,  szybsze  i  dające  czę sto  wię ksze  możliwości  –  MES  zastosowana  w  programach 
komputerowych  jest  narzę dziem,  które  umożliwia  obserwację   wielu  zjawisk  bę dących  w 
innych  warunkach  poza  zasię giem  możliwości  ze  wzglę du  na  ograniczenia  dostę pnych 

background image

 

 

214 

 

metod doświadczalnych. Opracowany tą metodą model może być  wielokrotnie korygowany 
pod  kątem  zmian  różnych  parametrów.  Nie  bez  znaczenia  jest  także  niezwykle  czytelna 
forma otrzymywanych wyników a także duża ich różnorodność . 

Obliczenia  numeryczne  prowadzono  na  komputerach  w  COI  Politechniki  War-

szawskiej. 
 

Literatura 

 
[1]  Abaqus Manual, version 6.2, Hibbit, Karlsson, Sorensen, Inc. 
[2]  KARCZEWSKI J. A., POSTEK E., WIERZBICKI S., Model połączenia śrubowego pod 

obciążeniem  cyklicznie  zmiennym,  XLVII  Konferencja  Naukowa  KILiW  PAN  i  KN 
PZITB
, Krynica 2001. 

 

 

 

THE COMPUTER MODELLING OF THE MULTI-BOLT 

PRESTRESSED CONNECTION 

 

Summary 

 
The goal of the conducted paper is to develop a 3D computational FEM model of double butt 
prestressed  two-bolted  connections  with  regard  to  the  effects  of  bolts,  initial  gaps,  friction 
and  prestressing  force.  This  model  may  be  used  especially  for  investigation  of  the 
connections  deformability,  also  after  first  slip,  in  the  method  of  structures  analysis.  The 
computational model is developed in the framework of ABAQUS general-purpose program. 
The  connection  is  discretized  with  1500  3D-isoparametric  brick  elements.  The  gaps  are 
assumed  between  all  of  the  elastic  bodies  and  later  during  the  loading  process,  non-elastic 
bodies.  The  contact  surfaces  are  established.  The  proposed  model  will  be  verified  by 
experiments. We expect that results obtained theoretically as well as in experiment in further 
investigations, will differ insignificantly.