Element szczelinowy

Element szczelinowy jest specjalnym typem elementu stosowanym w analizie metodą elementów skończonych. Wykorzystuje się go do modelowania sytuacji, w których pomiędzy dwoma częściami występuje niewielka szczelina, a ich wzajemny kontakt może pojawiać się lub zanikać w czasie pracy układu.

Typowym przykładem są elementy mechaniczne pracujące blisko siebie, np. wały, koła zębate, łożyska lub części zespołów maszynowych. Nawet jeśli szczelina między nimi jest bardzo mała, jej obecność może mieć istotny wpływ na zachowanie całego układu.

Na czym polega działanie elementu szczelinowego?

Element szczelinowy służy do odwzorowania wzajemnego oddziaływania dwóch obiektów, które mogą się do siebie zbliżać, oddalać lub wchodzić w kontakt. Gdy obiekty zetkną się ze sobą, powstaje siła kontaktowa przeciwdziałająca dalszemu zbliżaniu się powierzchni.

W praktyce element szczelinowy może opisywać:

• początkową odległość między obiektami,
• moment zamknięcia szczeliny,
• siłę odpychającą po kontakcie,
• sztywność kontaktu,
• kierunek działania oddziaływania.

Dzięki temu można modelować kontakt w prostszy sposób niż przy użyciu pełnej analizy kontaktowej powierzchnia–powierzchnia.

Element szczelinowy jako element liniowy

Element szczelinowy jest szczególnym przypadkiem elementu liniowego. Zazwyczaj łączy dwa węzły znajdujące się po przeciwnych stronach potencjalnego obszaru kontaktu.

Zachowanie elementu szczelinowego zależy głównie od:

• sztywności elementu,
• kierunku działania,
• aktywnych stopni swobody,
• początkowej wielkości szczeliny,
• warunku kontaktu lub rozdzielenia.

Oznacza to, że element taki nie musi działać we wszystkich kierunkach. Może być aktywny tylko wtedy, gdy występuje ściskanie lub kontakt między częściami.

Sztywność elementu szczelinowego

Bardzo ważnym parametrem elementu szczelinowego jest jego sztywność. To ona decyduje o tym, jak silnie element będzie przeciwdziałał zamykaniu szczeliny.

W zależności od przyjętego modelu można zastosować:

• bardzo dużą sztywność, gdy odległość między obiektami ma być utrzymywana prawie bez zmian,
• skończoną sztywność, gdy kontakt ma być podatny,
• sztywność nieliniową, gdy reakcja zależy od wielkości zamknięcia szczeliny.

Jeżeli kontakt ma przenosić tylko siłę odpychającą, element powinien działać wyłącznie przy ściskaniu. W takim przypadku nie przenosi rozciągania, ponieważ fizycznie dwa rozdzielone obiekty nie mogą „ciągnąć” się przez szczelinę.

Zastosowanie elementów szczelinowych w analizie MES

Elementy szczelinowe stosuje się tam, gdzie klasyczne połączenie węzłów byłoby zbyt sztywne lub nie oddawałoby rzeczywistego zachowania układu.

Najczęściej wykorzystuje się je do modelowania:

• luzów między częściami,
• kontaktu w łożyskach,
• połączeń mechanicznych z niewielką szczeliną,
• odbojników,
• ograniczników ruchu,
• zazębień,
• elementów pracujących z luzem montażowym.

Są szczególnie przydatne wtedy, gdy interesuje nas wpływ niewielkiego luzu na sztywność, przemieszczenia lub drgania układu.

Przykład praktyczny

W układzie z wałem obracającym się w łożysku zawsze występuje pewien luz. Podczas pracy wał może przemieszczać się w granicach tej szczeliny, a po zetknięciu z powierzchnią łożyska pojawia się reakcja kontaktowa.

Element szczelinowy pozwala odwzorować ten mechanizm w uproszczony sposób:

• przed kontaktem element nie przenosi siły,
• po zamknięciu szczeliny pojawia się reakcja,
• siła rośnie zgodnie z przyjętą sztywnością,
• kierunek reakcji jest określony przez orientację elementu.

Dzięki temu można przewidzieć, jak luz wpływa na pracę całego zespołu.

Zalety elementów szczelinowych

Elementy szczelinowe są stosunkowo proste, ale bardzo użyteczne w analizie kontaktu i połączeń mechanicznych.

Ich zalety to:

• proste modelowanie szczelin,
• mniejszy koszt obliczeniowy niż pełna analiza kontaktowa,
• możliwość uwzględnienia luzów montażowych,
• łatwa kontrola sztywności kontaktu,
• dobre zastosowanie w analizach zespołów mechanicznych.

Pozwalają one szybko sprawdzić wpływ kontaktu lub luzu bez konieczności budowania bardzo złożonego modelu kontaktowego.

Jakie są ograniczenia elementów szczelinowych?

Element szczelinowy jest uproszczeniem, dlatego nie zawsze zastępuje pełną analizę kontaktową. Nie odwzorowuje dokładnie całej powierzchni styku, lecz jedynie relację między wybranymi węzłami.

Do ograniczeń należą:

• uproszczony opis kontaktu,
• zależność wyników od poprawnego ustawienia kierunku elementu,
• konieczność odpowiedniego doboru sztywności,
• brak dokładnego odwzorowania rozkładu nacisków kontaktowych,
• ograniczona dokładność przy złożonej geometrii kontaktu.

Dlatego w bardziej wymagających przypadkach stosuje się pełne algorytmy kontaktowe powierzchnia–powierzchnia.