TY - THES

T1 - Entwicklung und Validierung einer Prüfmethodik zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens von geschraubten Fügestellen

AU - Himmelbauer, Florian

N1 - gesperrt bis 24-05-2024

PY - 2019

Y1 - 2019

N2 - Die Dämpfung stellt einen signifikanten Parameter in dynamischen Systemen dar. Durch die Energiedissipation und die daraus resultierende Begrenzung der Schwingungsamplituden können Spannungen, Verformungen oder Schallemissionen auf ein erträgliches Maß reduziert werden. Eine schwingungstechnisch ausgereifte Konstruktion bedarf somit der Berücksichtigung der Dämpfung. Aufgrund von fehlendem Verständnis und Schwierigkeiten bei der korrekten Berücksichtigung der Dämpfung in der Simulation werden vorwiegend experimentelle Methoden eingesetzt, um die Mechanismen der Dämpfung zu untersuchen und Dämpfungskennwerte für die numerische Simulation abzuleiten. Die Dämpfung in Fügestellen verursacht einen Großteil der Energiedissipation in Baugruppen, deswegen wird ihr eine besondere Bedeutung im Bauteildesign zugeschrieben. In dieser Masterarbeit wird eine innovative Prüfmethodik zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens von geschraubten Fügestellen vorgestellt. Ein strukturdynamisch optimiertes Design des Prüfstands wird mithilfe einer Modalanalyse konstruiert, wobei eine breite Variation des Belastungszustandes in der Fügestelle ermöglicht wird. Versuche mit einem elektrodynamischen Shaker dienen zur Validierung des Schwingungsverhaltens des Prüfstands, zur Identifikation von geeigneten Prüfparametern zur Erfassung eines nichtlinearen Systemverhaltens, und zur Untersuchung der Auswirkungen einer geschraubten Fügestelle auf das dynamische Verhalten. Die grundsätzliche Idee der Prüfmethodik liegt in der Gegenüberstellung der Amplituden-Frequenzgänge einer geteilten, zusammengeschraubten Probe sowie einer bezüglich Geometrie und Masse identischen monolithischen Probe als Referenz. In dieser Arbeit wurden zwei repräsentative Probengeometrien untersucht. Beim Probendesign A sanken die maximalen Schwingungsamplituden der geteilten Probe um mehr als die Hälfte im Vergleich zur monolithischen Probe, der Dämpfungsgrad nahm um ca. 17 % zu. Zudem wurde ein stark nichtlineares Übertragungsverhalten beobachtet, welches durch Mikro- und Makroschlupf in der Fügestelle und der Einspannung der Probe erklärt werden kann. Bei Versuchen mit dem Probendesign B betrug die Abnahme der maximalen Verstärkung nur 10 % und das nichtlineare Verhalten war schwächer ausgeprägt. Eine Verringerung des Anziehdrehmoments der Schrauben von 10 Nm auf 2 Nm ergab eine um ca. zwei Drittel abnehmende maximale Schwingungsamplitude in Resonanznähe und einen steigenden Dämpfungsgrad (+51 %). Die geringere Flächenpressung führte demnach zu größeren Freiheiten bei der Relativbewegung der Fügepartner (Mikro- und Makroschlupf) und somit zu einer erhöhten Energiedissipation und zu einem gedämpfteren Übertragungsverhalten.

AB - Die Dämpfung stellt einen signifikanten Parameter in dynamischen Systemen dar. Durch die Energiedissipation und die daraus resultierende Begrenzung der Schwingungsamplituden können Spannungen, Verformungen oder Schallemissionen auf ein erträgliches Maß reduziert werden. Eine schwingungstechnisch ausgereifte Konstruktion bedarf somit der Berücksichtigung der Dämpfung. Aufgrund von fehlendem Verständnis und Schwierigkeiten bei der korrekten Berücksichtigung der Dämpfung in der Simulation werden vorwiegend experimentelle Methoden eingesetzt, um die Mechanismen der Dämpfung zu untersuchen und Dämpfungskennwerte für die numerische Simulation abzuleiten. Die Dämpfung in Fügestellen verursacht einen Großteil der Energiedissipation in Baugruppen, deswegen wird ihr eine besondere Bedeutung im Bauteildesign zugeschrieben. In dieser Masterarbeit wird eine innovative Prüfmethodik zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens von geschraubten Fügestellen vorgestellt. Ein strukturdynamisch optimiertes Design des Prüfstands wird mithilfe einer Modalanalyse konstruiert, wobei eine breite Variation des Belastungszustandes in der Fügestelle ermöglicht wird. Versuche mit einem elektrodynamischen Shaker dienen zur Validierung des Schwingungsverhaltens des Prüfstands, zur Identifikation von geeigneten Prüfparametern zur Erfassung eines nichtlinearen Systemverhaltens, und zur Untersuchung der Auswirkungen einer geschraubten Fügestelle auf das dynamische Verhalten. Die grundsätzliche Idee der Prüfmethodik liegt in der Gegenüberstellung der Amplituden-Frequenzgänge einer geteilten, zusammengeschraubten Probe sowie einer bezüglich Geometrie und Masse identischen monolithischen Probe als Referenz. In dieser Arbeit wurden zwei repräsentative Probengeometrien untersucht. Beim Probendesign A sanken die maximalen Schwingungsamplituden der geteilten Probe um mehr als die Hälfte im Vergleich zur monolithischen Probe, der Dämpfungsgrad nahm um ca. 17 % zu. Zudem wurde ein stark nichtlineares Übertragungsverhalten beobachtet, welches durch Mikro- und Makroschlupf in der Fügestelle und der Einspannung der Probe erklärt werden kann. Bei Versuchen mit dem Probendesign B betrug die Abnahme der maximalen Verstärkung nur 10 % und das nichtlineare Verhalten war schwächer ausgeprägt. Eine Verringerung des Anziehdrehmoments der Schrauben von 10 Nm auf 2 Nm ergab eine um ca. zwei Drittel abnehmende maximale Schwingungsamplitude in Resonanznähe und einen steigenden Dämpfungsgrad (+51 %). Die geringere Flächenpressung führte demnach zu größeren Freiheiten bei der Relativbewegung der Fügepartner (Mikro- und Makroschlupf) und somit zu einer erhöhten Energiedissipation und zu einem gedämpfteren Übertragungsverhalten.

KW - Fügestelle

KW - Schraubenverbindung

KW - Dämpfung

KW - Fügestellendämpfung

KW - Modalanalyse

KW - Dynamisches Verhalten

KW - mechanical joint

KW - bolted joint

KW - damping

KW - slip damping

KW - modal analysis

KW - dynamic behaviour

M3 - Masterarbeit

ER -