Numerische Simulation des Anziehverhaltens von Schraubverbindungen unter Berücksichtigung des plastischen Materialverhaltens

Abstract

Das Verständnis des Tragverhaltens in gepaarten Gewinden von Schraubverbindungen ist besonders dann von speziellem Interesse, wenn einzelne Komponenten von Schraubverbindungen mehrfach verwendet werden sollen und/oder diese Komponenten aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Um eine prinzipielle Aussage über die Eignung zur Mehrfachverwendung von ausgewählten Verschraubungsdetails treffen zu können, werden am Institut für Metall‐ und Leichtbau der Universität Duisburg‐Essen derzeit umfangreiche experimentelle und numerische Untersuchungen zum Anziehverhalten von Schraubverbindungen durchgeführt. Zur numerischen Simulation des Anziehverhaltens von Schraubverbindungen wurde hierzu unter anderem auch ein vollständig parametrisiertes 3D‐Finite‐Elemente‐Modell entwickelt und an Versuchsergebnissen kalibriert. Hierbei wurden sowohl die am institutseigenen Anziehprüfstand ermittelten Teilreibungszahlen als auch das plastische Materialverhalten berücksichtigt. Erste numerische Berechnungen zeigen, dass sich das Anziehverhalten von hochfesten Schrauben unter Berücksichtigung des plastischen Materialverhaltens prinzipiell simulieren lässt. Für die Bewertung der Wiederverwendbarkeit lassen sich plastische Dehnungen während des Anziehvorgangs quantifizieren und bewerten. Numerical simulation of the preloading procedure of bolted assemblies considering plastic material behaviour. The load bearing behaviour of a preloaded bolted assembly is mainly influenced by the lubricated mating threads of the bolt and the nut. Especially when parts of a bolted assembly shall be reused and/or consist of different materials, an understanding of the stress distribution in the mating threads and the bolt is of great importance. Typical applications for this kind of connections are blind hole connections in transition joints and bridge bearings where high strength bolts are screwed in cut threads made of mild steel. For the numerical simulation of the preloading procedure a full parametrized 3D finite element model of a bolted assembly was built up and calibrated to experimental results achieved from tightening tests using the institutes own tightening torque testing machine. In the finite element model, the nonlinear material behaviour as well as the realistic coefficients of friction can be taken into account. To assess the reusability of different parts of the bolted assemblies, plastic deformations can be quantified and evaluated.

Tightening behaviour of preloaded stainless steel bolting assemblies

“…4 shows the numerical stress distributions in the z-direction in the area of the bolt head/clamping package for a M16 HV bolt and a M16 ISO 4014 bolt, both property class 10.9, at preload level F p,C *. The simulation has been carried out with ANSYS [21] including non-linear material behaviour [22], [23]. It can be seen that the stresses are very concentrated only below the bearing surface of the washer; for the HV system, values of approx.…”