Rechnerische Beschreibung des Relaxationsverhaltens von Schraubenverbindungen unter leichtbaurelevanter Temperaturbelastung
Förderinstitution: IGF/AIF Vorhaben
Projektnummer: 18670 N
Projektbearbeiter: Dipl.-Ing. Andreas Kempf
Projektlaufzeit: 01.04.2015 bis 31.08.2018
Kurzdarstellung
Im Rahmen dieses Vorhabens wurde für typische Schraubenverbindungen des Maschinenbaus, des Verkehrs- und Bauwesens das Vorspannkraftrelaxationsverhalten bei betriebsrelevanter Temperaturbeanspruchung unterhalb von Hochtemperaturanwendungen untersucht.
Es wurden Verbindungen aus hochbeanspruchbarer Stahlschraube mit Stahlbauteilwerkstoffen bis 300 °C bewertet. Zudem wurden die in leichtbaurelevanten Anwendungen eingesetzten, werkstoffhybriden Verbindungen, bestehend aus einem typischen Aluminium-Bauteilwerkstoff und einer Stahlschraube, bei Auslagerungstemperaturen bis 150 °C untersucht.
Bei der Werkstoffcharakterisierung wurden Unterschiede zwischen dem Anlieferungszustand und dem Zustand nach Warmauslagerung sowie nach Relaxationsversuch festgestellt.
Das temperaturabhängige Kurzzeitverhalten der eingesetzten Werkstoffe wurde in dehnratenabhängigen Warmzugversuchen und das zeitabhängige Verformungsverhalten in Kriechversuchen untersucht. Die für Schraubenverbindungen wichtige Grenzflächenpressung, die Druckbeanspruchbarkeit der insbesondere im Fall von Leichtmetalllegierungen grenzwertig hoch belasteten, bauteilseitigen Kontaktfläche, wurde in Abhängigkeit der einwirkenden Temperatur untersucht. Im Rahmen der Auslegung der Schraubenverbindung muss bei betrieblicher Temperaturbeanspruchung werkstoffabhängig das Kurzzeit- und Langzeitverhalten der Druckbeanspruchbarkeit mitberücksichtigt werden.
Die untersuchten Schraubenverbindungsvarianten, Werkstoffkombinationen sowie Geometrie- und Beanspruchungsparameter wurden hinsichtlich ihres Verformungsverhaltens nach der Richtlinie VDI 2230 bewertet. Die in ihren Verbindungsparametern variierten Relaxationsversuche bis 1.000 Stunden mit Zwischenbewertung des Verformungsverhaltens der Verbindungskomponenten wurden für Temperaturstufen von 80 °C, 150 °C und 300 °C für Stahl sowie 80 °C, 120 °C und 150 °C für Aluminium durchgeführt. Es konnten maßgebliche Einflussparameter identifiziert und für die untersuchten Werkstoffkombinationen quantifiziert werden. Die im Projekt erarbeiteten Daten stellen eine Basis für die Validierung der numerischen Beschreibung des Verformungsverhaltens der Teilsysteme und des Gesamtrelaxationsverhaltens der Schraubenverbindung dar.
Die aus Warmzug- und Kriechversuchen ausgewerteten Daten wurden in entsprechende Werkstoffformulierungen für die numerische Simulation implementiert. Das numerisch berechnete Kriechrelaxationsverhalten des Werkstoffs konnte mit experimentellen Relaxationsversuchen an Werkstoffproben validiert werden. Beim Übertrag auf die Schraubenverbindung konnte mit den abgeleiteten Kriechformulierungen noch keine genaue numerisch berechnete Vorhersage des zeitlichen Vorspannkraftverlaufes bei Variation der Verbindungsgeometrie erzielt werden. Für eine präzise Berechnung der zeitabhängigen plastischen Verformungen und entsprechend resultierendem Vorspannkraftverlust ist eine beanspruchungsbezogene Formulierung des Kriechverhaltens erforderlich.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben 18670 N der Forschungsvereinigung Forschungsgesellschaft Stahlverformung e.V. wurde über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Langfassung des Schlussberichtes kann bei der Forschungsgesellschaft Stahlverformung e.V., Goldene Pforte 1, 58093 Hagen, angefordert werden.
