Analytische Korrektur geometriespezifischer Einflüsse auf die Vorspannkraftbestimmung in Schraubenverbindungen mittels Ultraschallmethoden

Für die Vorspannkraftbestimmung mittels Ultraschalllaufzeitmessung spielt die Geometrie der Schraubenverbindung eine wichtige Rolle, insbesondere im Hinblick auf die systematische Trennung von Einflussfaktoren zur Schaffung größtmöglicher Vergleichbarkeit der Ergebnisse innerhalb einer Werkstoffklasse. Die Geometrie des Schraubenkopfes, die Schaftlänge und die Gewindeparameter beeinflussen die Form und Ausprägung der Spannungsfelder unter Vorspannung. Damit verändert sich der Spannungsverlauf entlang des Schallwegs der Ultraschalllaufzeitmessung. Als Erweiterung aktueller Methoden wurden charakteristische Geometriekennwerte ermittelt, die in Verbindung mit einem Materialkennwert für ausgewählte Schraubenverbindungen die Korrelation zwischen Vorspannkraft und Ultraschalllaufzeit vorhersagen. FEM-basierte Untersuchungen an einer Auswahl von Schraubengeometrien dienten als Grundlage für die Extraktion der erforderlichen Kennwerte. Die numerischen Experimente wurden im Hinblick auf die zu erwartenden Laufzeitwerte in Abhängigkeit der Spannung ausgewertet und mit analog dazu durchgeführten Verschraubungsversuchen am IZFP Messstandverifiziert. Durch systematischen Vergleich der Parametervariationen ergibt sich eine prinzipielle Vorgehensweise bei der Extraktion einzelner Geometrieeinflüsse. Hierzu zählen sowohl die Bewertung der Gültigkeit von numerischen Vorhersagen, als auch die Definition der Vorgehensweise bei der Bestimmung technologischer Kennwerte für die Ultraschallvorspannkraftmessung