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EFB-Forschungsbericht Nr. 519

Charakterisierung des Einflusses mechanischer Fügeverbindungen auf das Dämpfungsverhalten zusammengesetzter stahlbaulicher Tragwerkstrukturen

efb519

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge, Dr.-Ing. Normen Fuchs, M. Sc. Robert Staschko, M. Sc. Felix Holleitner, Fraunhofer-Einrichtung Großstrukturen in der Produktionstechnik, Prof. Dr.-Ing. habil. Christoph Woernle, Dr.-Ing. Evelyn Winter, M. Sc. Lukas Kappis, Lehrstuhl für Technische Mechanik/Dynamik, Universität Rostock

158 Seiten (sw, 98 teils farbige Abb., 11 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-573-2

Preis (Digital) EUR 75,88

Preis (Print) EUR 95,19

Zusammenfassung

Bei dynamischer Belastung von mechanisch gefügten Strukturen kann es zu Dämpfungseffekten in den Fügestellen kommen. Ursächlich hierfür sind dissipierende Reibvorgänge in den Kontaktflächen der gefügten Strukturkomponenten. Diese sogenannte Fügestellendämpfung ist durch ein nichtlineares Übertragungsverhalten von Kräften und Verschiebungen gekennzeichnet und hängt von einer Vielzahl von Parametern ab. Zu nennen sind hierbei beispielsweise die Haftreibungszahl in den Kontaktflächen, die Klemmlänge des Klemmpakets oder auch die Anzahl der Verbindungselemente einer Fügestelle.

Untersuchungen zeigen, dass sich die Fügestellendämpfung auf die bemessungsrelevanten Lasten von dynamisch beanspruchten Strukturen auswirkt und diese erheblich reduzieren kann. Im Hinblick auf die kostenoptimierte Auslegung von dynamisch beanspruchten Strukturen birgt die Fügestellendämpfung somit erhebliches Potential. Dieses Potential wird zum derzeitigen Stand der Technik jedoch nur sehr oberflächlich genutzt, da das Dämpfungsverhalten von Fügestellen noch nicht umfassend verstanden und beschrieben ist.

Im Sinne der Weiterentwicklung des Stands der Technik war das Ziel dieses Forschungsprojekts, die Dämpfungseigenschaften von mechanischen Fügestellen eingehend zu charakterisieren, um darauf aufbauend eine genauere Beschreibung der Dämpfungswirkung von Fügestellen verschiedener Konfigurationen zu ermöglichen.

Hierzu wurde zunächst ein experimentelles Prüf- und Mess-Konzept entwickelt, mit dem unter Verwendung von LVDT-Wegsensoren das dynamische Verhalten von HVSchraubverbindungen untersucht werden kann. Mithilfe der entwickelten Messvorrichtung wurden Parameterstudien zu den Dämpfungseigenschaften von Ein- und Mehr-Element- Fügestellen durchgeführt. Diese Parameterstudien wurden durch numerische Simulationen erweitert. Dabei konnten die numerischen Untersuchungen wesentliche Erkenntnisse zu den physikalischen Abläufen in dynamisch beanspruchten Fügestellen beisteuern.

Die experimentellen Untersuchungen haben vor allem gezeigt, dass die experimentelle Ermittlung der Dämpfungseigenschaften von Fügestellen mitunter stark streubehaftete Ergebnisse hervorbringt. Dies ist durch äußere Störgrößen, wie die Planheit der Kontaktflächen der gefügten Komponenten oder die Gleichmäßigkeit der Beschaffenheit der Reiboberflächen, begründet. Diese Störgrößen wirken sich erheblich auf die Fügestellendämpfung aus und überlagern einstellbare Faktoren, wie etwa die Vorspannkraft einer Schraubenverbindung.

Es muss daher konstatiert werden, dass in der Praxis eine reproduzierbare Einstellung der Dämpfungswirkung von Fügestellen eines erheblichen Aufwands bedarf. So muss etwa die Planheit und Gleichmäßigkeit der Rauheit der Kontaktflächen hergestellt werden. Aus diesem Grund muss je nach Anwendungsfall unter Berücksichtigung einer Kosten-Nutzen- Analyse entschieden werden, ob die gezielte Einstellung der Dämpfungseigenschaften von mechanisch gefügten Tragwerkstrukturen durch die Auswahl spezieller Fügestellenparameter von Vorteil ist.

Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Charakterisierung des Einfl usses mechanischer
Fügeverbindungen auf das Dämpfungsverhalten zusammengesetzter stahlbaulicher Tragwerkstrukturen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 19189BR über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 519 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Dynamic loads on mechanically joined structures can lead to damping effects in the joints due to dissipating frictional processes. This so-called joint damping is characterized by a non-linear transfer behavior of forces and displacements and depends on a large number of parameters. Examples are the static friction coefficient in the contact surfaces, the clamping length of the clamping package or the number of joining points in a joint.

Investigations show, that the joint damping affects the design relevant loads of dynamically stressed structures and can reduce these significantly. With regard to the cost-optimized design of dynamically stressed structures, joint damping thus holds considerable potential. However, at the current state of the art this potential is used very shallowly, since the damping behaviour of joints is not fully understood and described yet.

Therefore the aim of this research project was to characterize the damping properties of mechanical joints in detail, in order to enable a more precise description of the damping effect of joints in different configurations. To this purpose, an experimental test and measurement concept, which uses LVDT displacement sensors to investigate the dynamic behavior of HV screw connections, was developed. By the use of the developed measuring device, parameter studies on the damping properties of single and multi-element joints were carried out. These parameter studies were extended by numerical simulations.

The numerical investigations were able to contribute essential information on the physical processes in dynamically stressed joints. The experimental investigations have mainly shown, that the experimental determination of the damping properties of joints produces strongly scattered results. This is due to external disturbance variables such as the flatness of the contact surfaces or the uniformity of the friction surfaces. These disturbance variables have a considerable effect on the joint damping and superimpose adjustable factors such as the preload force of a bolt connection.

Therefore it must be noticed, that in practice a reproducible adjustment of the damping effect of joints requires considerable effort. For example, the flatness and uniformity of the roughness of the contact surfaces must be guaranteed. For this reason, depending on the application, a cost-benefit analysis must be carried out, to decide whether the targeted adjustment of the damping properties of a mechanically joined structure by selecting special joint parameters is advantageous.

The aim of this research project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Ziel des Forschungsvorhabens
1.3 Lösungsansatz
2 Stand der Forschung
2.1 Lokale Dämpfung in Fügestellen
2.2 Einflüsse auf die Fügestellendämpfung
2.2.1 Oberflächentopografie
2.2.2 Randschichthärte
2.3 Modellierung von Fügestellendämpfung
2.4 Modellierung der Dämpfung von mechanisch gefügten Tragwerkstrukturen
3 Untersuchungskonzept
3.1 Kritische Einflussparameter
3.2 Experimentelle Untersuchungen
3.2.2 Mess- und Prüftechnik
3.3 Modellierungskonzept
3.3.1 FE-Simulation
3.3.2 Mehrkörpersimulation
4 Validierung des Prüf- und Messkonzepts
4.1 Auswertung einzelner Hysteresen
4.2 Auswertung der Veränderung der Hysteresen über die Belastungsdauer
4.3 Zusammenfassende Wertung der Validierung
5 Ergebnisse der Hauptuntersuchungen
5.1 Ein-Element-Fügestelle (EEF)
5.1.1 Experimentelle Analyse physikalischer Wirkmechanismen
5.1.2 FE-Simulation
5.1.3 Analyse des Langzeitdämpfungsverhaltens
5.1.4 Analyse der Reiboberflächen
5.2 Mehr-Element-Fügestelle (MEF)
5.2.1 Experimentelle Analyse der geometrischen Anordnung von Fügestellen
5.2.2 FE-Simulation
5.2.3 Analyse des Langzeitdämpfungsverhaltens
5.3 Testbaugruppe (TBS)
5.3.1 Experimenteller Analyse
5.3.2 Elastische Mehrkörpersimulation
6 Streuung der Fügestellendämpfung unter praktischen Fertigungsbedingungen
7 Ansatz zur Entwicklung eines Prognose-Modells für die Kraft-Verschiebungs-Hysteresen von Schraubenverbindungen
7.1 Ansatz
7.2 Ergebnisse
7.3 Ausblick
8 Ergebnisse und Ausblick
9 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse für KMU
10 Literatur