Mechanische Zuverlässigkeit

Experimentelle und numerische Untersuchung zur Berücksichtigung der Stützwirkungseffekte in der Schwingfestigkeit biegebeanspruchter vorgespannter Schraubenverbindungen

Motivation

In vielen Anwendungsfällen in der industriellen Praxis unterliegen Schraubenverbindungen im Betrieb einer Kombination aus Axial- und Biegebeanspruchungen. Aufgrund der Belastungen stellen sich lokale Effekte (mehrachsiger Beanspruchungszustand und Stützwirkungseffekte infolge von Spannungsgradienten) im Gewindegrund und im Kopf-Schaft-Übergang ein. Diese lokalen Effekte sind in der aktuellen Auslegung von Schraubenverbindungen nicht berücksichtigt. Experimentelle Untersuchungen aus der Literatur zeigen jedoch, dass Stützwirkungseffekte infolge von Biegebeanspruchung zu einer höheren ertragbaren lokalen Spannung führen können. Eine zuverlässigere Abschätzung der Schwingfestigkeit biegebelasteter Schraubenverbindungen unter Einbeziehung der Stützwirkungseffekte würde erlauben, kleinere Schraubendurchmesser zu verwenden und somit Leichtbaupotentiale zu nutzen.

Zielsetzung

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer Bemessungsmethode zur Berücksichtigung der Stützwirkungseffekte auf die Schwingfestigkeit vorgespannter Schraubenverbindungen unter Biegebelastung.

Lösungsweg

Zunächst wird das zyklische Werkstoffverhalten über Versuche an Rundproben ermittelt, um die Eingangswerte für die numerische Untersuchung zu bestimmen. Mithilfe von Finite-Element-Analysen werden die Geometrie und die Lastrandbedingungen der Versuchsaufbauten zur Abbildung der Axial-, Biege- und kombinierte Beanspruchungssituationen definiert. Die Ergebnisse der zyklischen Versuche werden im Abgleich mit der numerischen Simulation zur Herleitung einer Bemessungsmethode unter Berücksichtigung von lokalen Stützwirkungseffekten herangezogen. Die Bemessung erfolgt dabei unter Betrachtung von spannungs- und dehnungsbasierten Bewertungskonzepten. Die Untersuchung wird an diversen Schraubendurchmessern durchgeführt, um eine Übertragbarkeit auf andere Schraubenverbindungen möglich zu machen.

Bild: Fachgebiet SAM

Informationen zur Förderung

Beteiligte Institute:

  • Technische Universität Darmstadt, Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt (MPA) und Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde (IfW)
  • Technische Universität Darmstadt, Systemzuverlässigkeit, Adaptronik und Maschinenakustik (SAM)

AiF-Vorhaben, IGF-Nr. 20821; Laufzeit: 2,5 Jahre
Deutscher Schraubenverband DSV e.V.

Kontakt

M.Sc. Elena De Tomaso
Tel: +49 6151 705 8458
Email: elena.de.tomaso@sam.tu-darmstadt.de