Schraubenberechnung

Bei Schraubenverbindungen handelt es sich um äußerst komplexe Verbindungen:

  • 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.

FEM Dienstleister - Dienstleistung: Schraubenberechnung (Ansys Ergebnisplot)

Auf dem Gebiet der Schraubenberechnung bieten wir insbesondere die Analyse von Schraubenverbindungen per FE-Simulation an. Zwar steht mit der VDI 2230 (Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen) eine umfassende Richtlinie zur analytischen Schraubenberechnung zur Verfügung. Für komplexe Schraubverbindungen – vor allem wenn die Verbindung klafft – ist die Richtlinie aufgrund von relativ hohen Unwägbarkeiten nur bedingt geeignet.

Die Beurteilung erfolgt sowohl für Extrem- als auch Ermüdungslasten. Wir berücksichtigen alle relevanten Nichtlinearitäten, zum Beispiel durch:

  • Schraubenvorspannung
  • Trennfugenkontakt (Gleiten und Klaffen der Trennfuge)
  • 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)

 

Alle für die Montage relevanten Daten legen wir in Abstimmung mit dem Kunden fest, wie z.B.:

Beispiele für abgeschlossene Kundenprojekte


Schraubenverbindung Rotorwelle – Rotornabe

Die 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. Die Auswertung erfolgte nach der Richtlinie VDI 2230.