Boutverbindingen berekenen met FEM: voorspanning, contact en belasting

Boutverbindingen worden veel toegepast in machines, staalconstructies en industriële installaties. Ze verbinden onderdelen en zorgen ervoor dat krachten veilig worden overgedragen. Toch is het gedrag van een boutverbinding onder belasting niet altijd eenvoudig te voorspellen. De voorspankracht, het contact tussen onderdelen en de richting van de belasting bepalen samen hoe de verbinding zich gedraagt. Met een FEM-analyse kunnen engineers onderzoeken hoe krachten zich door een boutverbinding verdelen. Daarbij wordt onder andere gekeken naar spanningen, vervormingen, contactdruk en mogelijke verschuivingen. Zo wordt duidelijk of een verbinding voldoende sterk en stijf is en onder welke omstandigheden problemen kunnen ontstaan.

Waarom boutverbindingen berekenen met FEM?

Bij het berekenen van een boutverbinding wordt vaak eerst gekeken naar de boutdiameter, sterkteklasse en maximale belasting. Voor eenvoudige verbindingen kunnen analytische berekeningen voldoende zijn. Bij complexere constructies spelen echter meer factoren een rol.
Denk aan meerdere bouten die gezamenlijk een belasting opnemen, onderdelen met verschillende materiaaleigenschappen of verbindingen die worden blootgesteld aan wisselende krachten. Ook de geometrie van de constructie beïnvloedt de krachtverdeling.
Met een FEM-analyse kan het gedrag van de volledige verbinding worden onderzocht. Hierbij worden de bouten, de verbonden onderdelen en de onderlinge contacten in een rekenmodel opgenomen.
Een FEM-berekening kan onder andere inzicht geven in:

Deze informatie helpt engineers om verbindingen gericht te beoordelen en waar nodig het ontwerp aan te passen.

Welke invloed heeft voorspanning op een boutverbinding?

Voorspanning ontstaat wanneer een bout tijdens montage wordt aangedraaid. Hierdoor wordt de bout op trek belast en worden de verbonden onderdelen tegen elkaar geklemd.
De voorspankracht speelt een belangrijke rol bij het overbrengen van belastingen. Bij een voldoende voorgespannen verbinding kunnen dwarskrachten bijvoorbeeld via wrijving tussen de contactvlakken worden opgenomen.
Een te lage voorspanning kan ervoor zorgen dat onderdelen verschuiven of van elkaar loskomen. Een te hoge voorspanning kan juist leiden tot overbelasting van de bout of plaatselijke vervorming van de verbonden onderdelen.
Bij het berekenen van de voorspanning moet rekening worden gehouden met verschillende factoren, waaronder de boutsterkte, de stijfheid van de onderdelen en de wrijving tijdens het aandraaien.
Ook kan de voorspankracht tijdens gebruik veranderen. Dit gebeurt bijvoorbeeld door zetting van contactvlakken, temperatuurverschillen of veranderende belastingen.

Hoe wordt voorspanning meegenomen in een FEM-analyse?

In een FEM-model wordt de voorspanning doorgaans aangebracht voordat de externe bedrijfsbelasting wordt toegevoegd. Hierdoor kan worden onderzocht hoe de verbinding vanuit de gemonteerde toestand reageert op aanvullende krachten.
Vervolgens wordt de voorspanning in het model vastgehouden terwijl de bedrijfsbelasting wordt aangebracht. Zo ontstaat inzicht in de resterende klemkracht en de verandering van de boutbelasting.
Contact en wrijving tussen verbonden onderdelen
Bij boutverbindingen speelt niet alleen de bout zelf een rol. Ook het contact tussen de verbonden onderdelen bepaalt hoe krachten worden overgedragen.
Wanneer twee onderdelen tegen elkaar worden geklemd, ontstaat contactdruk. De verdeling van deze druk is afhankelijk van de geometrie, voorspanning en stijfheid van de onderdelen.
In een FEM-analyse kunnen contactvlakken afzonderlijk worden gemodelleerd. Daarbij wordt rekening gehouden met het feit dat onderdelen onder bepaalde omstandigheden van elkaar kunnen loskomen of langs elkaar kunnen bewegen.
Wrijving is hierbij een belangrijk aandachtspunt. De wrijvingscoëfficiënt bepaalt mede hoeveel dwarskracht via het contactvlak kan worden overgedragen voordat verschuiving optreedt.
Wanneer de belasting groter wordt dan de beschikbare wrijvingsweerstand, kan de verbinding gaan schuiven. Afhankelijk van de constructie kunnen bouten vervolgens direct op afschuiving en de boutgaten op gatdruk worden belast.
Door verschillende contactcondities te onderzoeken, kunnen engineers beoordelen hoe gevoelig een verbinding is voor veranderingen in bijvoorbeeld oppervlaktegesteldheid of voorspanning.

Hoe beïnvloedt de belasting de krachten in boutverbindingen?

Boutverbindingen kunnen op verschillende manieren worden belast. De richting en grootte van de belasting bepalen welke krachten in de bouten en verbonden onderdelen ontstaan.
Bij een axiale trekbelasting neemt de kracht in de bout doorgaans toe, terwijl de klemkracht tussen de onderdelen afneemt. Hoe deze belasting wordt verdeeld, hangt onder andere af van de stijfheid van de bout en de verbonden onderdelen.
Bij dwarsbelasting speelt vooral de weerstand tegen verschuiven een rol. Daarnaast kunnen buigende momenten ervoor zorgen dat bepaalde bouten zwaarder worden belast dan andere.
Bij verbindingen met meerdere bouten is de belasting bovendien niet altijd gelijkmatig verdeeld. De positie van de bouten, de stijfheid van de constructie en het aangrijpingspunt van de kracht beïnvloeden de uiteindelijke verdeling.
Ook wisselende belastingen verdienen aandacht. Wanneer een verbinding herhaaldelijk wordt belast, kunnen spanningswisselingen in de bouten bijdragen aan vermoeiing.
Met een FEM-berekening kunnen verschillende belastingsituaties worden onderzocht. Hiermee wordt zichtbaar welke onderdelen en bevestigingspunten onder de zwaarste omstandigheden worden belast.

Waar moet u op letten bij het opstellen van een FEM-model?

Een betrouwbare berekening begint bij een model dat het werkelijke gedrag van de verbinding voldoende nauwkeurig beschrijft.
Niet iedere bout hoeft volledig driedimensionaal te worden uitgewerkt. Voor het beoordelen van de globale krachtverdeling kunnen vereenvoudigde boutmodellen geschikt zijn. Wanneer lokale spanningen of contactverschijnselen belangrijk zijn, kan een gedetailleerdere modellering nodig zijn.
De keuze hangt af van het doel van de analyse. Daarbij zijn vooral de volgende aandachtspunten belangrijk:

Omdat het contactgedrag tijdens belasting kan veranderen, vraagt een gedetailleerde analyse van boutverbindingen vaak om een niet-lineaire berekening.

Hoe beoordeelt u de resultaten van een FEM-berekening?

Na het uitvoeren van de berekening moeten de resultaten worden beoordeeld in relatie tot de technische eisen van de constructie.
Alleen de maximale spanning in een bout bekijken, is daarvoor onvoldoende. Ook de resterende klemkracht, contactdruk en vervormingen kunnen bepalend zijn voor het functioneren van de verbinding.
Een hoge lokale spanning rond een boutgat hoeft bijvoorbeeld niet direct te betekenen dat de volledige verbinding onvoldoende sterk is. Andersom kan een bout binnen de toelaatbare spanningsgrenzen blijven, terwijl de verbonden onderdelen toch ongewenst verschuiven.
Daarom is het belangrijk om verschillende resultaten in samenhang te beoordelen. Ook moeten de uitkomsten worden gecontroleerd op realistische vervormingen, krachtevenwicht en gevoeligheid voor de gekozen modelinstellingen.
Waar nodig worden FEM-resultaten gecombineerd met analytische boutberekeningen, bijvoorbeeld volgens VDI 2230. Een FEM-analyse biedt aanvullend inzicht in complexe geometrieën en de verdeling van belastingen, maar vervangt niet automatisch alle sterkte- en vermoeiingscontroles.

Boutverbindingen beoordelen en optimaliseren met FEM

Een FEM-analyse helpt om inzicht te krijgen in het gedrag van boutverbindingen onder verschillende bedrijfsomstandigheden. Door voorspanning, contact en externe belastingen gezamenlijk te onderzoeken, kunnen mogelijke knelpunten in een ontwerp vroegtijdig worden vastgesteld.
De resultaten kunnen aanleiding geven om bijvoorbeeld de boutpositie, boutdiameter, voorspanning of geometrie van de verbonden onderdelen aan te passen.
HIH Engineering ondersteunt machinebouwers en industriële bedrijven bij het uitvoeren van FEM-berekeningen en het beoordelen van technische constructies. Daarbij worden de berekeningen gekoppeld aan de werkelijke toepassing en de eisen waaraan het ontwerp moet voldoen.
Wilt u weten of een boutverbinding in uw constructie voldoende sterk is? Bekijk de mogelijkheden voor FEM-analyses en laat uw technische vraagstuk beoordelen.

Ga terug