Numerische Modellierung des Kraft‐Verformungsverhaltens vorgespannter Schrauben in L‐Flanschverbindungen

Abstract

Stahlrohrtürme von Windenergieanlagen sind schwingungsanfällige Tragstrukturen, welche infolge des Anlagenbetriebs wechselnden Beanspruchungen ausgesetzt sind. Dem Ermüdungsfestigkeitsnachweis für den Turm kommt daher eine große Bedeutung zu. Ein neuralgischer Punkt innerhalb der Turmstruktur sind in der Regel die Ringflanschverbindungen, welche die einzelnen Turmsektionen mittels vorgespannter Schrauben miteinander verbinden. In Bezug auf die Ermüdungsfestigkeit dieser Verbindung ist die Sicherstellung einer ausreichend hohen Schraubenvorspannung dabei entscheidend. Für eine realitätsnahe Vorhersage der verbleibenden Vorspannkraft in einer Flanschverbindung nach einer Überbeanspruchung ist eine präzise Erfassung des plastischen Verformungsverhaltens der Schraube‐Mutter‐Verbindung wichtig. In dem vorliegenden Beitrag wird ein numerischer Ansatz zur Vorhersage des Vorspannkraftverlusts von zentrisch und exzentrisch vorgespannten Schraubenverbindungen infolge von hohen Einzellasten vorgestellt, welcher durch Versuche verifiziert wird.

Numerische Simulation von Vorspannkraftverlusten in Ringflanschverbindungen

“…Materialzuordnung am Flanschmodell mit dazugehörigen Parametern der Materialmodelle für Turmwand, Schraube und Flansch aus [8] und der Gewinde paarung nach [9] Material assignment for the flange model with corresponding parameters of the material models for tower wall, bolt and flange from [8] and the thread pairing area according to [9] F. Wegener Die als unzulässig bewertete Imperfektion von 2 mm über 1 000 mm Umfangslänge kann weder durch Vorspannen auf F v,70 % noch auf F v,90 % vollständig beigezogen werden. Wie im Abschn.…”

“…Unter Ausnutzung der Symmetriebedingungen für die Geometrie, der äußeren Last und der Imperfektion in der x ‐ z ‐Ebene kann das Tragverhalten der kompletten Ringflanschverbindung über ein 180°‐Modell abgebildet werden. Die vorgespannten HV‐Garnituren M72x400 nach DASt‐Richtlinie 021 [3] sind auf Basis einer modifizierten Modellklasse III nach VDI 2230 – Blatt 2 [13] mit zylindrischen Volumen aufgebaut [9]. Zur realitätsgetreuen Abbildung der Steifigkeitsverhältnisse ausgehend von der Turmwand wurde die Länge der Anschlussbleche l t auf Grundlage vorangeganger Untersuchungen auf den halben Turmdurchmesser D gesetzt.…”

“…beanspruchten Schraube wurde das Netz zur besseren Abbildung der plastischen Verformung verfeinert. Die HV‐Garnituren wurden auf Grundlage vorangegangener Untersuchungen [9] durchgängig mit 8‐Knoten‐Hexaederelementen mit linearer Ansatzfunktion (Elementtyp: SOLID185) vernetzt. In [9] konnte gezeigt werden, dass trotz der sehr groben Vernetzung der Schraube‐Mutter‐Verbindung (Bild 6a) die Vorspannkraftverluste durch Plastifizierung hinreichend genau abgebildet werden können.…”

“…Für diesen Hilfskörper wird ein zusätzliches bilineares Materialmodell (Streckgrenze R e = 380 MPa, Tangentenmodul E t = 1 700 MPa) festgelegt. Diese modifizierte Modellierungsstrategie auf Basis der Modellklasse III ist ausführlich in [9] beschrieben und anhand experimenteller Untersuchungen validiert. Die Materialzuordnung und die dazugehörigen Wertepaare der plastischen Spannungs‐Dehnungsbeziehung sind in Bild 7 gelistet.…”

“…Durch eine anfängliche Abweichung in der Planparallelität der Flanschflächen an Ober‐ und Unterseite der Flansche kann dieser Effekt verstärkt werden (s. Untersuchungen von Schwedler et al [8]). Plastifizierung in der SchraubeEine örtliche Plastifizierung der gepaarten Gewinde ist bei hochfest vorgespannten Schraubenverbindungen unvermeidbar und deren Bewertung komplex. Das Kraft‐Verformungsverhalten bei zentrischer und exzentrischer Belastung wurde von den Verfassern in einem früheren Beitrag [9] behandelt. Es wurde ein Modellansatz entwickelt, welcher Plastifizierungserscheinungen innerhalb der ganzen Schraubenverbindung für FEM‐Analysen hinreichend genau erfasst.…”