Schraubenberechnung

FEM Dienstleister - Dienstleistung: Schraubenberechnung (Ansys Ergebnisplot)Bei Schraubenverbindungen handelt es sich um äußerst komplexe Verbindungen. Schwierigkeiten bei der Schraubenberechnung entstehen durch:

  • zumeist hohe Unsicherheiten der Schraubenvorspannung
  • Reibbeiwerte in der Trennfuge oft nur schätzbar
  • bei klaffender Trennfuge –  Berücksichtigung zusätzlicher Nichtlinearitäten

 

Dazu kommt, dass Schrauben aufgrund der hohen Kerbwirkung der Gewindegänge empfindlich auf zyklische Lasten (Betriebslasten) reagieren.

Mit unserer umfangreichen Erfahrung auf dem Gebiet der Schraubenberechnung unterstützen wir Sie gerne bei der Auslegung Ihrer Schraubenverbindung.

Leistungsangebot

Auf dem Gebiet der Schraubenberechnung bieten wir folgende Dienstleistung an:

  • Analytische Berechnung sowie Berechnung per FEM
  • Festigkeitsnachweis für Extremlasten und Ermüdungslasten
  • Nachweis gemäß VDI 2230 und Eurocode 3
  • Ermittlung aller für die Montage benötigten Daten

Neben dem Nachweis unterstützen wir Sie natürlich auch konstruktionsbegleitend bei der Auslegung oder der Optimierung Ihrer Schraubenverbindung.

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Anzahl Schrauben-Projekte

2450 mm

Längste berechnete Schraube

Ø 950 mm

Größtes untersuchtes Gewinde

Schraubenberechnung nach VDI 2230

Mittels der VDI-Richtlinie 2230 „Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen“ berechnen wir kompakte Schraubenverbindungen, wie sie beispielsweise im Maschinenbau üblich sind. Dabei werden folgende Nachweise geführt:

Berechnung von Schraubenverbindungen nach Eurocode 3

Stahlbauliche Konstruktionen berechnen wir nach Eurocode 3 (DIN EN 1993-1-8: Bemessung und Konstruktion von Stahlbauten). Je nach Kategorie der Verbindung erfolgen folgende Nachweise:

  • Abscheren der Schraube in der Scherfuge
  • Lochleibung, Flächenpressung in der Bohrung sowie Abscheren des Bleches zum Rand hin sowie zwischen den Bohrungen
  • Zugbelastung der Schraube
  • Durchstanzen des Schraubenkopfes bzw. der Mutter durch das Blech
  • Blockversagen von Schraubengruppen

Analytische Schraubenberechnung

Einfache Schraubenverbindungen weisen wir analytisch nach. Der Hauptvorteil des analytischen Nachweises liegt im geringeren Aufwand gegenüber einer numerischen Analyse. Besonders geeignet ist der analytische Nachweis unter folgenden Umständen:

  • Einfache Geometrie der Schraubenverbindung, so dass die Last an der Schraube analytisch berechnet werden kann
  • Die Schraubenverbindung wird nur statisch belastet
  • Unkritische Schraubenverbindungen

Bewertung von Schraubenverbindungen mittels FEM

Eine Berechnung mittels Finite-Elemente-Methode ist zwar aufwändiger als eine analytische Berechnung, bietet aber zahlreiche Vorteile. Gegenüber einer analytischen Berechnung kann die Belastung der Einzelschraube genauer berechnet werden. Dies gilt besonders, wenn Nichtlinearitäten – beispielsweise durch das teilweise Öffnen der Trennfuge – beachtet werden müssen. Eine Berechnung mittels FEM ist daher unter folgenden Umständen sinnvoll:

  • Komplexe Geometrie der Verbindung
  • Die Schraubenverbindung wird schwingend belastet, so dass ein Ermüdungsfestigkeitsnachweis geführt werden muss
  • Kritische Schraubenverbindung mit hoher Auslastung und großer Schadensfolge
  • Partielles Aufklaffen oder Gleiten der Trennfuge
  • Nichtlinearitäten in der Umgebung der Schraubenverbindung wie z.B. nichtlinearer Kraftfluss durch Wälzlagerverbindung

Je nach Aufgabenstellung bedienen wir uns der gebräuchlichen Modellklassen:

  • Modellierung ohne Schraube (üblicherweise nur für nicht durch Fatigue belastete Schrauben mit niedriger Auslastung)
  • Modellierung mit Balken
  • Modellierung mit Volumen unter Vernachlässigung des Gewindes
  • Modellierung mit Volumen unter Berücksichtigung des Gewindes (insbesondere interessant für Sonderschrauben, für die keine Nennspannungen für die Dauerfestigkeit bekannt sind

Kundenmeinungen

Senior Expert Engineer Nacelle Structural Mechanics / Nordex Energy GmbH

Dipl.-Ing. Nils Tönißen

Das Ingenieurbüro Andreas Hanke unterstützt unsere Berechnungsabteilung seit 8 Jahren. Uns überzeugt das Know-How auf dem Gebiet der Betriebsfestigkeit, das bei der Berechnung von wesentlichen Bauteilen wie beispielsweise der Rotorwelle und diversen Schraubenverbindungen eingebracht wurde.

Auslegung, Optimierung und Nachweis von Schraubenverbindungen


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Bild von Andreas Hanke

Andreas Hanke

Geschäftsführung, Dipl.-Ing.

Beispiele für abgeschlossene Kundenprojekte


Schraubenverbindung Rotorwelle – Rotornabe

Geoemtrie-Abbildung aus Ansys für die Berechnung der Schraubverbindung zwischen Rotornabe und Rotorwelle einer WindenergieanlageDie Schraubenverbindung zwischen Rotorwelle und Rotornabe einer Windkraftanlage wurde hinsichtlich Extrem- und Betriebslasten mittels FEM bewertet. In der FE-Simulation wird insbesondere das nichtlineare Verhalten im Kontaktbereich mitberücksichtigt, das durch das teilweise Klaffen der Verbindung unter Extremlasten verursacht wird. Die Streuung der Vorspannung der Schrauben wird ebenfalls im Modell mit abgebildet.

 

Unter Extremlasten werden die folgenden Nachweise geführt:

  • Nachweis der Tragfähigkeit der Schrauben
  • Nachweis, dass kein Plastifizieren der Schrauben und somit kein Vorspannkraftverlust auftritt
  • Gleitnachweis
  • Nachweis der Mindesteinschraubtiefe und der Flächenpressung unter dem Schraubenkopf

Außerdem wird gezeigt, dass die Schrauben die dynamischen Lasten ertragen. Der dafür erfolgte Betriebsfestigkeitsnachweis berücksichtigt die nichtlineare Abhängigkeit der Schraubenkraftfunktion von den äußeren Lasten.

Schraubenverbindungen Blattlager

Berechnung der Schraubenverbindung zwischen Blattlager und Blatt einer Windenergieanlage - Schnittansicht auf das verschraubte BlattDie Schraubenverbindung zwischen Blattlager und Blatt sowie zwischen Blattlager und Rotornabe einer Windkraftanlage wurde berechnet. Neben der Nichtlinearität des Kontaktes in der Trennfuge wurde ebenfalls die durch das Blattlager verursachte Nichtlinearität berücksichtigt.

Die Auswertung erfolgte sowohl für Extrem- als auch Fatiguelasten entsprechend den Vorgaben der Richtlinie VDI 2230.