Filip Wegener’s research while affiliated with Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation and other places

Geschraubte Verbindungen stellen insbesondere für Mischbauweisen, endbeschichtete Halbzeuge, aber auch für wartungsgerechte Konstruktionen ein hocheffizientes Fügeverfahren dar, welches die konstruktive Gestaltung maßgeblich beeinflusst. Für die Bemessung solcher Verbindungen in den Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus bildet die VDI 2230-1 die Berechnungsbasis. Um Problemen der Form- und Lagetoleranzen in der Montage von Bauteilen und Baugruppen zu begegnen und so den reibungslosen Fertigungsablauf zu ermöglichen, werden Durchgangslöcher in den Bauteilen oftmals als übergroße Rund- oder Langlöcher ausgeführt. Das erhöhte Nennlochspiel findet in den Rechenschritten R0 bis R13 zur Berechnung hochbeanspruchter zylindrischer Einschraubenverbindungen nach der VDI Richtline 2230-1 jedoch keine Berücksichtigung, was zu einer Überdimensionierung oder Hilfskonstruktionen führt. Oftmals lässt sich die Nachweisführung in der Praxis nur durch kostenintensive Einzelfalluntersuchungen auf Basis von Versuchen stützen. Die in diesem Beitrag gezeigten Untersuchungen zur Bestimmung der Druckverteilung in der Trennfuge, der Schraubennachgiebigkeit sowie des Einflusses der Lochgeometrie auf die Plattennachgiebigkeit haben die Bereitstellung einer grundlegenden Datenbasis für die Erarbeitung eines analytischen Berechnungsmodells nach VDI 2230-1 für Schraubenverbindungen mit erhöhtem Nennlochspiel zum Ziel.

Tubular steel towers of wind turbines are fatigue loaded structures that are exposed to time-variant stresses because of turbine operation. A critical point within the tower structure are the ring flange connections, which connect the individual tower sections with preloaded bolts. This article publishes two procedures for verifying the fatigue safety of bolts in ring flange connections with the help of experimental and numerical investigations under consideration of bending effects. The authors point out the problem on the basis of experimental and numerical investigations and give recommendations for future flange design.

Stahlrohrtürme von Windenergieanlagen sind schwingungsanfällige Tragstrukturen, welche infolge des Anlagenbetriebs wechselnden Beanspruchungen ausgesetzt sind. Ein neuralgischer Punkt innerhalb der Turmstruktur sind die Ringflanschverbindungen, welche die einzelnen Turmsektionen mittels hochfest vorgespannten Schrauben miteinander verbinden. Normativ existieren zwei Verfahren für die Nachweisführung der Ermüdungssicherheit des Schraubenbolzens. Als erste Möglichkeit wird die Verwendung eines Verfahrens vorgestellt, welches die numerische Berechnung der Zug- und Biegespannungen im Gewindebereich der vorgespannten Schraube erlaubt, wobei modellierungsseitig mögliche Flanschklaffungsimperfektionen zu berücksichtigen sind. Die resultierende Gesamtspannung aus Normalkraft und Biegemoment im Schraubenbolzen ist der rein axial ermittelten Schwingfestigkeit gegenüberzustellen. Diese Vorgehensweise entspricht dem Konzept im Maschinenbau nach dem Blatt 1 der VDI-Richtlinie 2230. Als zweite Möglichkeit, wird ein am Experiment abgesichertes Verfahren vorgestellt, welches allein die Berechnung der axialen Zugspannungen – aus Vorspannkraft und äußerer Last – im Gewindebereich erfordert. Die mithilfe dieser vereinfachten Berechnungsmethode nach SCHMIDT/NEUPER ermittelte Schraubennormalspannung wird einer am speziellen Fall des L-Flansches bestimmten Schwingfestigkeit, die damit implizit Biegeeinflüsse enthält, gegenübergestellt. Im Rahmen des Beitrages wird ein Berechnungswerkzeug vorgestellt, welches als quellcodebasierte Erweiterung für ANSYS-Workbench für einen parameterabhängigen Aufbau von beliebigen Ringflanschkonfigurationen entwickelt wurde. Anschließend wird die Konsequenz für die Nachweisführung der Ermüdungssicherheit, für die numerisch bestimmte Normalkraft- und Biegemomentbeanspruchung in den vorgespannten Flanschverschraubungen diskutiert. Hierzu werden neue experimentelle Untersuchungen an L-Flansch-Versuchskörpern mit klassischen Stahlbauschrauben (System HV) und IHF-Schraubengarnituren mit schlussgerollter Gewindeherstellung ins Feld geführt. Der innovative Beitrag besteht zum einen in der Neubewertung der Schädigungsrelevanz von Schraubenbiegeanteilen aus exzentrischer Belastung auf die Ermüdungsfestigkeit und zum anderen in der Ableitung einer Kerbfallklasse exzentrisch belasteter Schraubenverbindungen (SV) unter Berücksichtigung von Herstellungs- und Randschichteinflüssen.

Geometrical imperfections are an important aspect for fatigue design of bolted ring flange connections, particularly for support structures of wind turbines. This paper deals with the validation of 3D FEA models including such imperfections. Measurements from a 1.5 MW onshore wind turbine tower are compared against numerical results from two independently built FE models. The results show that the effect of imperfections, which have only been measured at the tower manufacturer, can be qualitatively well predicted by the FEA model. Furthermore, the results from the two completely independent models are almost identical, giving confidence that results can be reproduced. Recommendations for building FEA models are given, such that designers wishing to use idealized or measured imperfections for design purposes have guidance.

de Die Betriebsbeanspruchung von Schrauben in Ringflanschverbindungen zur Verbindung von Tragstruktursektionen von Windenergieanlagen wird maßgeblich durch die vorhandene Pressung in der Flanschkontaktfuge beeinflusst, welche durch die eingebrachte Schraubenvorspannkraft erzielt wird. Unter den vorliegenden Belastungen im laufenden Betrieb der Anlage besteht die Möglichkeit, dass durch Plastifizierung im Flansch oder in der Schraube Vorspannkraft verloren geht. In diesem Beitrag wird anhand eines praxisnahen Beispiels gezeigt, ob und – wenn ja – in welcher Größenordnung Vorspannkraftverluste zu erwarten sind und durch welche Einflussfaktoren diese maßgeblich bestimmt werden. Hierzu werden verschiedene Last‐ und Vorspannkraftniveaus sowie unterschiedliche Imperfektionen in Form von Parallelklaffungen untersucht. Auf Basis der durchgeführten numerischen Untersuchungen kann festgehalten werden, dass Vorspannkraftverluste nur in geringer Höhe auftreten und eine hohe Vorspannkraft sich stets positiv auswirkt, auch wenn sich dadurch erste Plastifizierungseffekte schon auf einem niedrigeren Lastniveau einstellen. Abstract en Numerical simulation of preload losses of bolts in ring flange connections The fatigue performance of bolts in ring flange connections of wind turbine support structures is significantly influenced by the preload level of the bolts. Under operational loading there is a possibility that pre‐tension force is lost due to plastification in the flange or in the bolt. This paper uses a practical example to show the magnitude of such losses and the factors that can significantly influence them. Different load levels, preload forces and different imperfections (parallel gaps) are examined. As a result of the investigations, it can be stated that the preload loss only occurs with a low magnitude and that a high preload always has a positive effect, even if this causes the first plastification at a lower load level.

en Ring flange connections for tubular towers, like those for wind turbines or chimneys, are subjected to significant fatigue loading. Next to the bolts, the weld connecting the flange to the tower shell also needs to be checked against fatigue failure. The flange causes local bending moments in the shell, which increase the meridional stress, i. e. stress concentrations occur. In this paper, the influence of geometrical imperfections on such stress concentrations is quantified and the influence of flange geometry on resulting stress is investigated. Recommendations are given for flange dimensions and the design procedure. Abstract de Einfluss von Flanschabmessungen und geometrischen Imperfektionen auf Spannungskonzentrationen an Schweißnähten von Ringflanschverbindungen Ringflanschverbindungen für Rohrtürme, wie solche für Windenergieanlagen oder Schornsteine, sind einer erheblichen Ermüdungsbelastung ausgesetzt. Neben den Schrauben muss auch die Schweißnaht, die den Flansch mit der Turmschale verbindet, gegen Ermüdungsversagen abgesichert werden. Aufgrund des Flansches treten lokale Biegemomente in der Schale auf, die die nominelle Meridianspannung erhöhen, d. h., es treten Spannungskonzentrationen auf. In diesem Beitrag werden der Einfluss geometrischer Imperfektionen sowie der Einfluss der Flanschgeometrie quantifiziert. Es werden Empfehlungen für Flanschabmessungen und die Bemessung gegeben.

Lockbolts become increasingly important for modern mechanical engineering. The advantageous notch effect in consequence of a softer groove geometry, the larger stress cross section for the same nominal diameter and a lower scattering of preload results in the potential for increasing the load capacity of lockbolt systems in mechanical joints in comparison to conventional bolted joints. Consequently costs can be reduced with structural adjustments in mechanical engineering. These include the reduction of the required nominal diameter and consequently the reduction of component dimensions. Furthermore savings in manufacturing and assembly as well as cost reduction for maintenance are possible. For the calculation of lockbolt systems in mechanical joints the Technical Bulletin DVS-EFB 3435-2 is available now for design and calculation engineers. The Technical Bulletin allows to calculate joints with lockbolt systems according to VDI 2230-Part 1. This paper presents joints with lockbolts in mechanical engineering. At first, the lockbolt technology and the assembly preload of the lockbolts will be introduced. After that the structural behavior of joints with lockbolts under static and alternating load will be presented. Finally, the modified calculation steps according to the VDI 2230-Part 1 will be demonstrated.

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.

An Schwachwindstandorten ist ein wirtschaftlicher Betrieb von Windenergieanlagen (WEA) zumeist nur mit großen Rotordurchmessern und Nabenhöhen möglich. Große Nabenhöhen stellen große Herausforderungen an die Tragfähigkeit und Ermüdungsfestigkeit der Türme, die für den sicheren Betrieb der Anlage bestimmte statische und dynamische Eigenschaften erfüllen müssen. In Kombination mit steigenden Nennleistungen führt dies zu höheren Betriebslasten bei derartigen WEA. Für materialeffiziente Stahlrohrturmstrukturen sind daher erhöhte Anforderungen an die Schwingfestigkeit geschweißter Kerbdetails notwendig. Dieser Aufsatz befasst sich mit Untersuchungen zur Bewertung der Schwingfestigkeit eines typischen Konstruktionsdetails, der Schweißbuchse. Darüber hinaus werden alternative Konzepte mit dem Ziel der Schwingfestigkeitssteigerung vorgestellt und bewertet, welche einerseits auf die Reduktion des Wärmeeintrags und anderseits auf die Randschichtverfestigung setzen. Neben experimentellen Untersuchungen zum Blechdicken‐ und Mittelspannungseinfluss werden auf Basis der neu erschienenen Norm DIN 18088‐3 [1] die Möglichkeiten einer praxisnahen Anwendung von numerisch basierten Nachweiskonzepten zur Ermüdungsfestigkeit beleuchtet und den Versuchsergebnissen vergleichend gegenübergestellt.

An Schwachwindstandorten ist ein wirtschaftlicher Betrieb von Windenergieanlagen (WEA) zumeist nur mit großen Rotordurchmessern und Nabenhöhen möglich. In Kombination mit steigenden Nennleistungen führt dies zu höheren Betriebslasten bei modernen WEA. Für materialeffiziente Stahlrohrturmstrukturen sind daher erhöhte Anforderungen an die Schwingfestigkeit geschweißter Kerbdetails notwendig. Dieser Artikel befasst sich mit Untersuchungen zur Bewertung der Schwingfestigkeit eines typischen Konstruktionsdetails, der Schweißbuchse. Neben experimentellen Untersuchungen zum Größen- und Mittelspannungseinfluss werden auf Basis der neu erschienenen Norm DIN 18088-3 die Möglichkeiten einer praxisnahen Anwendung von numerisch basierten Nachweiskonzepten zur Ermüdungsfestigkeit beleuchtet und den Versuchsergebnissen vergleichend gegenübergestellt.