Połączenia śrubowe w SOLIDWORKS

Historia śruby

Przodkiem dzisiejszej śruby jest tzw. śruba Archimedesa — nie element łączący ani nie element Toolbox, lecz urządzenie do podnoszenia wody. Prawdopodobnie Archimedes nie był jej wynalazcą. Historycy uważają, że starożytni Egipcjanie stworzyli mechanizm do nawadniania pól w dolinie Nilu, który później opisał Pliniusz.

Pliniusz (ok. 61-113 n.e.) opisał drewnianą śrubę wykorzystywaną do produkcji wina, a także tłoczenia oliwy z oliwek. W tamtych czasach rysunki techniczne bardzo odbiegały od standardów SOLIDWORKS, a brak systemu SOLIDWORKS PDM spowodował, że nie zachowały się szczegółowe opisy produkcji tego typu elementów. Pierwsze śruby metalowe powstały z pręta, na który nawijało się drut. Co następnie skutkowało brakiem powtarzalności wymiarowej i praktyczną niemożnością wykonania dwóch identycznych śrub.

Pierwsza nowoczesna tokarka do gwintów pojawiła się dopiero w 1770 roku, gdy Jesse Ramsdey rozpoczął rozwój współczesnych śrub.

Definicje połączeń śrubowych w SOLIDWORKS

Co to jest śruba?
Śruba to element konstrukcyjny, rozpatrywany jako prosta maszyna — równia pochyła owinięta wokół walca.

Co to jest połączenie śrubowe?
Połączenie śrubowe to rozłączne połączenie kształtowe elementów, łączonych za pomocą elementów złącznych.

Co to jest połączenie gwintowe?
Połączenie gwintowe to rozłączne, bezpośrednie połączenie kształtowo-cierne, gdzie łącznikiem są występy i odpowiadające im wgłębienia w formie gwintów.

Więcej definicji znajdziesz w literaturze fachowej autorstwa Antoniego Biegusa czy Kazimierza Łyczko.

Gwinty w SOLIDWORKS

Modelowanie ręczne

Niezależnie od tego, czy chodzi o gwint zewnętrzny, czy wewnętrzny, konieczne są dwa elementy: profil gwintu oraz ścieżka w formie spirali. Każdy z nich wymaga określenia odpowiednich parametrów geometrycznych.

Menedżer właściwości spirali pozwala na wygenerowanie gotowej geometrii gwintu.

Gwint zewnętrzny

Takie podejście pozwala dokładnie odwzorować geometrię połączenia śrubowego w SOLIDWORKS, ale dodaje skomplikowaną geometrię, którą komputer musi przeliczać przy każdym obracaniu modelu. Taki model stosuje się głównie w dwóch sytuacjach: podczas projektowania samej śruby, a także w wizualizacjach, gdzie gwint jest wyraźnie widoczny. Na podstawie modeli 3D można przygotować takie wizualizacje w SOLIDWORKS Visualize.

Model uproszczony gwintu

W codziennym projektowaniu stosuje się uproszczenia analogiczne do tych z rysunku technicznego. Gwint na modelu jest reprezentowany parametrycznie, co pozwala opisać go bez pełnej geometrii.

Taki gwint na modelu 3D zawiera wszystkie niezbędne informacje potrzebne do rysunku maszynowego.

Rysunek 2D z modelem uproszczonego gwintu
Uproszczenia na modelu 3D umożliwiają czytelne odwzorowanie gwintu na rysunku 2D, jednocześnie zmniejszając obciążenie sprzętu i skracając czas projektowania.

Elementy Toolbox

Dla konstruktorów, którzy wykorzystują w swoich projektach często tysiące połączeń śrubowych, SOLIDWORKS oferuje Toolbox — bibliotekę elementów złącznych lub też innych komponentów. Toolbox znacznie przyspiesza proces projektowania. Każdy element z gwintem dostępny jest w trzech trybach wyświetlania: Uproszczonym, Zarysie, a także Schematycznym. Pozwala to wybrać odpowiednią prezentację gwintu na modelu 3D.

Aby wykonać połączenie śrubowe z użyciem Toolbox, wystarczy przeciągnąć wybrany element do przestrzeni roboczej. Gdy element zostanie umieszczony na otworze, system automatycznie dobierze odpowiednią średnicę. Podobnie przy nakrętce — po przeciągnięciu nakrętki na śrubę dobierana jest średnica i odpowiednie wiązania mechaniczne.

Tak przygotowany komponent, korzystając z definicji szyku, pozwala automatycznie wypełnić pozostałe otwory.

Definicja szyku

Istnieje wiele metod pracy z połączeniami śrubowymi w SOLIDWORKS. Ten artykuł nie wyczerpuje tematu. Dla chętnych polecam szkolenia „CAD Zaawansowany” gdzie znajdziesz więcej szczegółów.

Połączenia śrubowe w analizach inżynierskich

Analizy metodą elementów skończonych wymagają jeszcze większego uproszczenia geometrii gwintów i połączeń, aby efektywnie przeprowadzić symulacje. W SOLIDWORKS Simulation geometria elementów złącznych jest pomijana, a kluczowa jest definicja połączenia za pomocą parametrów punktu połączenia śrubowego.

Narzędzia Złącza (wiązanie śrubowe) pozwalają zdefiniować takie połączenia do analizy statycznej, uwzględniając np. obciążenie wstępne. Połączenie śrubowe w MES jest reprezentowane przez zestaw informacji opisanych na krawędziach modelu. W przypadku, gdy śruba jest wkręcona w element niewłączony do analizy, można zastosować definicję wirtualnej ściany lub śruby fundamentowej.

Do projektowania połączeń konstrukcyjnych w MES wyznacza się dwie charakterystyczne krawędzie modelu, które definiują złącze. Przy wykorzystaniu Toolbox, SOLIDWORKS Simulation automatycznie konwertuje modele 3D, które są wyłączone z analizy, na złącza zawierające kompletną definicję.

Wyniki analizy statycznej prezentują mapy naprężeń, a także przemieszczeń brył, uwzględniając wiązania śrubowe w węzłach połączeniowych, z pominięciem modeli elementów złącznych wyłączonych z analizy.

Wykres naprężeń

Wykres przemieszczeń

Dla elementów złącznych wartości naprężeń w formie sił, a także momentów przedstawiane są tabelarycznie. Tabela wizualizuje, które połączenia śrubowe przeszły, a które nie przeszły testu wytrzymałościowego. Dane można wyeksportować do formatu CSV i dalej analizować.

Menedżer właściwości sił wynikowych

Podsumowanie

Świat wirtualny stosuje uproszczenia. W modelowaniu połączeń śrubowych SOLIDWORKS najczęściej chodzi o sposób wyświetlania gwintów. Analizy inżynierskie wymagają jeszcze większego uproszczenia, zastępując elementy złączne definicjami złączy. A to następnie przyspiesza obliczenia i daje klarowne dane o połączeniach.

Biblioteka Toolbox automatyzuje projektowanie połączeń oraz przygotowanie do analiz MES. Dokumentacja 2D ze węzłami połączeniowymi, pomimo uproszczeń 3D, zawiera pełen zestaw informacji. SOLIDWORKS wspiera codzienną pracę projektanta, podobnie jak inne aplikacje SOLIDWORKS oraz chmurowe rozwiązania 3DEXPERIENCE.