Analyse von Verbindungselementen unter Berücksichtigung thermischer Lasten

Für die Montage von Maschinen werden häufig Schrauben verwendet, welche ein zerstörungsfreies Demontieren ermöglichen. Ein wichtiger Parameter bei Schraubverbindungen ist die Vorspannkraft und das Drehmoment, welche benötigt werden, um diese Kraft im Verbindungselement einzustellen. Die Berechnung einer Schraubenverbindung kann in der Regel analytisch erfolgen, wenn die Steifigkeit der zu verschraubenden Bauteile bekannt ist, wobei durch einen langen Schraubenschaft auch beim Setzen oder bei Bewegungen der Bauteile die Vorspannkraft aufrechterhalten werden kann. Dieses Prinzip wird in der Praxis mit Dehnschrauben umgesetzt.
Problematisch wird es, wenn zusätzlich thermische Dehnungen durch unterschiedliche Temperaturen oder auch durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten in den Werkstoffen der Verbindung vorliegen, was zu einem rapiden Abfall der Vorspannung führen kann. Infolge der thermomechanischen Kopplung und der üblicherweise unbestimmten Lagerung, müssen an dieser Stelle numerische Simulationen Verwendung finden .
Im Projekt wird eine Maschine untersucht, bei der Teile der Verschraubung sehr warm werden. Am realen Bauteil werden die Längsdehnung und damit die Längskraft unter realen Temperaturen und weiteren Lasten durch Betriebskräfte mittels Dehnungsmesstreifen erfasst.
Zur detaillierten Analyse wird ein thermomechanischen FE-Modell der gesamten Maschine mit allen Schraubelementen (statisch unbestimmte Lagerung) erstellt, um den Einfluss der Änderung der Vorspannkraft aufgrund der Temperatur zu berechnen.
Neben der Vorspannkraft lässt sich im FE-Modell auch die Spannungsverteilung im restlichen Teil der Maschine bestimmen. Relevant sind diese Analysen, da eine im warmen Zustand vorgespannte Schraube sich beim Abkühlen zusammenzieht und die Vorspannkraft dann ansteigt. So können schnell die zulässigen Spannungen in der Schraube aber auch in den Bauteilen überschritten werden.