Entwicklung von FEM-basierten Konzepten für die schwingfeste Auslegung von Schraubenverbindungen

Beginnend mit der Montage steigt die Vorspannkraft zu Beginn auf ihren Maximalwert innerhalb der Lebensdauer der Verschraubung an, um dann kurz nach der Montage wieder abzufallen. Hervorgerufen wird der Vorspannkraftverlust durch Setzvorgänge von Oberflächenrauhigkeiten in den Kontaktflächen der Trennfugen und zwar in Abhängigkeit der Höhe der aufgebrachten Montagevorspannkraft. Abhängig vom eingesetztem Werkstoff und der auftretenden Umgebungstemperatur können diese Vorspannkraftverluste auch verursacht bzw. verstärkt werden, z.B. durch thermisch aktivierte Setz-, Plastizierungs- und Kriechvorgänge. Je nach Einsatzfall der Schraubenverbindung kommt es im "Betrieb" zu mechanischen Bauteilbelastungen, die zyklischer oder dynamischer (hier nicht skizziert) Natur sein können. Diese Belastungen können zu weiteren Vorspannkraftverlusten in der Verbindung führen oder bei unzureichender Dimensionierung zum Bauteilversagen durch überelastische Beanspruchungen oder Werkstoffermüdung führen.Daraus können folgende Anforderungen an FE-basierte Auslegungsmethoden für Schraubenverbindungen abgeleitet werden:- Ausreichende Festigkeit bei Montage. - Berücksichtigung des nichtlinearen Übertragungsverhaltens der Verbindung. - Ausreichende Festigkeit im zyklischen Betrieb der Schraubenverbindung. - Berücksichtigung des elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens bei der Bauteilanalyse. - Berücksichtigung thermisch-zeitabhängiger Vorspannkraftverluste.Basierend auf den vorgenannten Problemen und Anforderungen werden folgende Ziele definiert und wie folgt modular gegliedert:- Modul I "Montage": Erarbeitung einer FE-basierten Methode zur Ermittlung und Bewertung der Montagevorspannkraft FM in einer Schraubenverbindung während der Montage unter Berücksichtigung elastisch-plastischen Werkstoffverhaltens.- Modul II "Vorspannkraftverlust": Ermittlung von Relaxations- und Setzbeträgen zur Festlegung erforderlicher Montagevorspannkräfte FM.- Modul III "Betrieb": Erarbeitung einer FE-basierten Methode zur schwingfesten Auslegung schlussvergüteter Schrauben bei zyklischer Belastung unter Berücksichtigung des nichtlinearen Übertragungsverhaltens der Verbindung sowie des elast.-plast. Werkstoffverhaltens.