Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Lebensdauerbewertung von geschweißten Verbindungselementen unter Montagevorspannung

Geschweißte Verbindungselemente, wie Schweißmuttern und -bolzen, kommen vermehrt auch für strukturell wichtige Komponenten und zur Anbindung größerer Massen zum Einsatz. Das stetig wachsende Anwendungsgebiet umfasst unter anderem den Automobilbau zur Anbindung von Fahrwerkskomponenten sowie den Schiffsbau zur Befestigung von Kabelkanälen bis hin zum Hochbau wo geschweißte Verbindungselemente zur Fixierung von Fassadenelementen eingesetzt werden. Die Schwingfestigkeit gilt dabei als ein maßgebliches Bemessungskriterium für die Auslegung von geschweißten Verbindungselementen. Gegenwärtig existieren keine allgemeingültigen Regelwerke zum rechnerischen Nachweis der Schwingfestigkeit lasttragender geschweißter Verbindungselemente. Insbesondere für KMU stellt sich damit die Bauteilauslegung von Strukturen mit geschweißten Verbindungselementen häufig als kostspielig, langwierig, risikobehaftet und somit als nicht durchführbar dar.

Im Rahmen des Vorhabens werden daher erstmalig validierte Berechnungsmethoden zur Bewertung zyklisch beanspruchter geschweißter Verbindungselemente unter Berücksichtigung der Montagevorspannung entwickelt und bereitgestellt. Somit wird der Einsatz von geschweißten Verbindungselementen auch für KMU ermöglicht, indem bereits in der frühen Produktentwicklungsphase eine schnelle und zuverlässige rechnerische Bewertung der Schwingfestigkeit erfolgen kann.

Zur Erreichung des Forschungsziels werden Schwingfestigkeitsversuche an Schweißmuttern und -bolzen durchgeführt. Hierbei wird neben einem anwendungstypischen Stahl, auch der Einfluss von Montagevorspannungen erfasst. Darüber hinaus werden Modellierungsempfehlungen für die Finte-Element-Analyse abgleitet, um die lokalen Beanspruchungen am versagenskritischen Bereich zu ermitteln. Aufbauend auf diesen Untersuchungen werden Bewertungsverfahren zum Nachweis der Schwingfestigkeit von geschweißten Verbindungselementen, basierend auf dem Struktur- und Kerbspannungskonzept, abgeleitet und validiert.

Ergebniszusammenfassung:

Durch die beiden entwickelten Bewertungsverfahren auf Basis des Struktur- und Kerbspannungskonzepts kann die Schwingfestigkeit der hier untersuchten geschweißten Schrauben- und Mutterverbindungen ausreichend gut abgeschätzt werden. Das entwickelte Bewertungsverfahren auf Basis des Strukturspannungskonzept eignet sich aufgrund der Verwendung von Schalenelementen (Bleche), Balkenelemente (Verbindungselemente) und einer geringen benötigten Gesamtanzahl an Elementen besonders gut für eine Anwendung unter industriellen Bedingungen. Durch die Bewertung mit vereinfachter Modellierung (Strukturspannungskonzept), lässt sich so die Schwingfestigkeitsbewertung komplexer Baugruppen, wie zum Beispiel einer PKW-Karosserie, bereits im Entwicklungsprozess integrieren.

Bei der Berücksichtigung der Montagevorspannung stellt die Korrelation mit dem sich lokal einstellenden, versagensrelevanten Beanspruchungszustand weiterhin eine Herausforderung für die Bewertung dar. Dennoch konnten aus den Ergebnissen Empfehlungen für eine Lebensdauerbewertung, die auf die untersuchten Werkstoffe, Verbindungselemente und Prüfbedingungen beschränkt ist, abgeleitet werden.

Die entwickelten Berechnungskonzepte zum Nachweis der Schwingfestigkeit geschweißter Verbindungsmittel (Anschweißbolzen, Anschweißmuttern) können direkt in den Unternehmen für die Auslegung der genannten Bauteile angewendet werden. Die Nachweise sind so aufbereitet, dass sie mit den üblichen zur Verfügung stehenden Hilfsmitteln durchgeführt werden müssen. Dies ist insbesondere auch KMU möglich, da sich die vorgeschlagenen Berechnungskonzepte an allgemein bekannten Nachweiskonzepten wie z.B. der IIW-Richtlinie, dem EC3 oder der FKM-Richtlinie orientieren. Mit den entwickelten Berechnungskonzepten wird eine bislang bestehende Lücke gefüllt, da entsprechenden Nachweisverfahren für die untersuchten geschweißten Verbindungsmittel nicht bekannt sind.