Praxisgerechte Bewertung zyklisch beanspruchter Schraubenverbindungen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode

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1 Berichte aus der Werkstofftechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Christina Berger Band 1/2008 Ulrich Wuttke Praxisgerechte Bewertung zyklisch beanspruchter Schraubenverbindungen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode D17(Diss. TU Darmstadt) Shaker Verlag Aachen 2008

2 Inhaltsverzeichnis Formelzeichen und Abkürzungen 1 Einleitung 1 2 Stand der Kenntnisse ^, Einführung in die Finite-Elemente-Methode (FEM) Grundlagen Berücksichtigung von nichtlinearem Bauteilverhalten Abbilden von Kontakt in ABAQUS <, Konzepte der Schwingfestigkeitsberechnung Grundlegendes Nennspannungskonzept Örtliches Konzept Analytische Berechnung der Schraubenbeanspruchung in einer Verbindung Berechnung der Schraubenbeanspruchung mit Hilfe der FEM, Rechnerische Abschätzung der Schwingfestigkeit von Schraubenverbindungen Berechnung auf der Grundlage von Nennspannungen Berechnung auf der Grundlage von örtlichen Beanspruchungen Allgemeine Hinweise zur Wahl der Formelbezeichnungen 23 3 Wissenschaftliche Problemstellung 25 4 Möglichkeiten der detaillierten Modellierung von Schrauben am Beispiel einfacher Verbindungen Allgemeine Hinweise Berechnungsbeispiel - verspannte Hülse / Vergleich der Berechnung nach der VDI-Richtlinie 2230 mit einem detaillierten Modell einer einfachen Schraubenverbindung Beschreibung des Berechnungsmodells Berechnung der Nachgiebigkeiten Ergebnisse 29 -XI-

3 4.3 Berechnungsbeispiel - zentrisch verspannte und belastete Kolbenverschraubung Vorbemerkungen Versuche FE-Simulation Vergleich zwischen Berechnung und Versuch Zusammenfassung ^ Definition eines Schraubenersatzsystems Grundlegende Überlegungen Definition eines Ersatzsystems für die Schraube in einer Schraubenverbindung Allgemeine Hinweise Idealisierung der Schraube mit Hilfe von Balkenelementen Idealisierung der Schraube mit Hilfe von Federelementen Abschätzung der Schraubennachgiebigkeit nach der VDI-Richtlinie Vergleich detailliertes FE-Modell / Näherungslösung Anbindung des Schraubenersatzbalkens im Bereich des eingeschraubten Gewindebereichs von Einschraubverbindungen Anbindung des Linienelements im Bereich der Kopfauflage bzw. ' Mutterauflage Anwendung des Balkenersatzmodells auf den Verschraubungsfall der schmalen" Hülse Grundlegendes zur Modellierung Vergleich des Einflusses der Kopfanbindung Untersuchungen zum Einfluss der Netzfeinheit Einfluss der Reibung an der Kopf- und Mutterauflage Berücksichtigung von elastisch- plastischem Materialverhalten Zusammenfassung 72 6 Verifikation des Ersatzsystems an ausgewählten Beispielen Berechnungsbeispiel 1: exzentrisch belastete Einschraubverbindung Vorbemerkungen Versuche und Versuchsergebnisse FE-Analyse 79 -XII-

4 6.1.4 Vergleich zwischen Versuch und Berechnung Berechnungsbeispiel 2: Deckelverschraubung einer Hochdruckpumpe Vorbemerkungen Versuche und Versuchsergebnisse, FE-Analyse Vergleich zwischen den Versuchen und der Berechnung Zusammenfassung "' Berechnung der Schwingfestigkeit von Schraubenverbindungen mit Hilfe der FEM Grundlagen Berechnungsbeispiel 1: Exzentrisch belastete Einschraubenverbindung Vorbemerkungen Versuchsergebnisse Berechnung der Beanspruchung Rechnerische Abschätzung der Schwingfestigkeit Bewertung der unterschiedlichen Kerbstellen Berechnungsbeispiel 2: Mehrfach verschraubter Deckel eines Pumpengehäuses, Vorbemerkungen Versuchsergebnisse Rechnerische Abschätzung der Schwingfestigkeit Rechnerische Abschätzung der Schraubenschwingfestigkeit auf der Grundlage der Werkstoffdauerfestigkeit Zusammenfassung / Resümee Modellierungs- und Berechnungshinweise auf der Grundlage der durchgeführten Untersuchungen Allgemeine Bemerkungen zur Abbildung von Schrauben in einer FE-Berechnung Einbindung der FE-Berechnung in das Konzept der VDI-Richtlinie Zusammenfassung & 134 Literaturverzeichnis XIII -

5 Anhang Bewertung von Schraubenverbindungen mit Hilfe der FEM A Berechnung von Schraubenverbindungen nach der VDI-Richtlinie A.1 Kraftübertragung bei zentrischer Verspannung und zentrischer Lasteinleitung 147 A.2 Kraftübertragung bei exzentrisch belasteter und exzentrisch verspannter Verbindung A.3 Bestimmung und Einfluss der Vorspannkraft B FE-Berechnungsmodelle B.1 Vorbemerkungen B.2 2D Modelle zur Berechnung der Nachgiebigkeiten B.3 3D Modelle zur Bewertung der Biegenachgiebigkeit B.4 2D Modell der zentrisch verspannten Hülse B.5 3D Modelle der schmalen" Hülse B.6 Zentrisch verspannte und belastete Kolbenverschraubung B.7 Exzentrisch beanspruchte Schraubenverbindung B.8 Deckelverschraubung einer Hochdruckpumpe C Versuche C.1 Zentrisch verspannte und belastete Schraubenverbindung C.2 Exzentrisch verspannte und belastete Schraubenverbindung C.3 Deckelverschraubung einer Hochdruckpumpe C.3.1 C.3.2 Werkstoffuntersuchungen des Gehäuse- und Deckelwerkstoffs Untersuchungen zur Kraftübertragung der Deckelverschraubung -XIV-