Berechnung KI-Methoden assistieren bei Schraubenberechnungen

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Schraubenverbindungen nach VDI 2230 zu berechnen, stellt immer noch viele Anwender vor große Herausforderungen. Bisher erleichtern softwaregestützte Methoden die Berechnung und den Nachweis. KI-Methoden sind auch hier auf dem Vormarsch und ergänzen die VDI 2230 praxisgerecht.

Schraubenverbindungen lassen sich flexibel einsetzen und kostengünstig montieren – damit sind sie bedeutende Verbindungselemente. Die Lösbarkeit und Elastizität einer Schraubenverbindungen erweitert den Einsatzbereich zudem deutlich. Sie werden dann eingesetzt, wenn steife Verbindungen zu hohen Belastungen führen oder lösbare Verbindung notwendig sind. Schrauben innerhalb dieser Verbindungen stellen somit eines der am häufigsten eingesetzten Maschinenelemente dar.

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Die vorgespannte Schraubenverbindung stellt technisch ein unbestimmtes System dar. Dabei müssen Verformungen, Steifigkeiten und die Krafteinleitung berücksichtigt werden. In der VDI 2230 zur Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen wird dieses System mittels eines Federmodells und dem Krafteinleitungsfaktor realisiert. Die Zusammenhänge werden hierbei in einem Verspannungsschaubild veranschaulicht.

Große Herausforderungen bei Berechnung von Schraubenverbindungen nach VDI 2230

Viele Anwender stellt jedoch die Berechnung von Schraubenverbindungen nach VDI 2230 vor große Herausforderungen. Sie müssen eine Fülle an Einflüssen und deren gegenseitige Beeinflussung berücksichtigen. Hierbei unterstützen softwaregestützte Methoden bei Modellerstellung, Definition der Randbedingungen bis hin zur Auswertung der Ergebnisse. Diese Ergebnisse werden im Verspannungsschaubild veranschaulicht, um die Funktionalität und Sicherheiten der Schraubenverbindung auf einen Blick zu bewerten.

Vor allem das elastische Ersatzmodell nach VDI 2230 ist so komplex, dass der Anwender sich intensiv mit den Eingabegrößen auseinandersetzen muss. Denn die geometrischen Elastizitäten der beiden Komponenten Schraube und Platte sind zusätzlich vom Krafteinleitungsort abhängig. In der Berechnung wird dieser Zusammenhang über den Krafteinleitungsfaktor (KEF) berücksichtigt. In der Konstruktion treten immer wieder folgende Problem- und Fragestellungen auf:

• Anziehfaktor α: Welche Einflüsse müssen Berücksichtigung finden?

• Min/Max des Wertebereiches der Empfehlung verwenden?

• KEF n: Welcher Hintergrund? Wie kann der Wert bestimmt werden?

• Welchen Einfluss hat er auf die Ergebnisse?

• Festlegung korrekten Verbindungstyp gemäß SV1-SV6.

• Anzugsmoment: Welches Anzugsmoment führt zu einem optimalen Verspannungszustand?

• Exzentrizität a: Wie kann der Wert bestimmt werden?

• Wie groß ist der Einfluss auf die Ergebnisse?

Verspannungszustand jeder Schraubenverbindung ist limitiert

Für Schraubenverbindungen mit angepassten Werkstoffen für Schraube und Platte empfiehlt die VDI 2230 dem Anwender, eine Streckgrenzenausnutzung mit 90 Prozent zu wählen. Weichen die Werkstoffkombinationen, geometrischen Verhältnisse und Temperatureinflüsse ab, ist es notwendig, einen optimalen Verspannungszustand zu erreichen. Diesen erhält man, indem ein geeignetes Anzugsmoment gewählt wird. Allerdings ist der Verspannungszustand jeder Schraubenverbindung limitiert und führt zu spezifischen Versagensmechanismen. Um also das korrekte Anzugsmoment auszuwählen, sollten die Anwender alle Limitierungen kennen.

Der zu optimierende Verspannungszustand (maximale Vorspannkraft) jeder Schraubenverbindung ist nach oben begrenzt, wenn die Fließgrenze und Flächenpressungen überschritten werden. Die Begrenzung nach unten (minimale Vorspannkraft), wird durch die Einhaltung der Funktionalität der Schraubenverbindung bzgl. Gleiten, Klaffen, Abdichten über die erforderliche Mindestklemmkraft vorgegeben.

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Damit die passenden Anzugsmomente bereits im Eingabeprozess der Berechnung vorhanden sind, assistieren zukünftig KI-Methoden und Maschinelles Lernen. Hierfür legen die Ingenieure die geeigneten Wertebereiche und die Varianz der Eingangsgrößen fest. Dadurch entsteht ein Datenpool an Festigkeitsberechnungen nach VDI 2230 Blatt 1 für die KI-Assistenten. Im darauffolgenden Filterprozess werden alle Berechnungen mit ausgewogenem Verspannungszustand selektiert. Der so erzeugte Datenpool enthält nur noch Lösungen mit einem ausbalancierten Verspannungszustand. Für alle im Anschluss durchgeführten Berechnungen innerhalb des vorgegebenen Wertebereiches assistieren diese Methoden der KI mit Lösungen für den optimalen Verspannungszustand. Die erforderliche und intuitive Bewertungsmöglichkeit bietet das erweiterte Verspannungsschaubild.

Krafteinleitungsfaktor mithilfe von numerischen Verfahren bestimmen

Der Krafteinleitungsort hat entscheidende Auswirkungen auf die Höhe der dynamischen Belastungen in der Schraube. Falsche Annahmen können zu ungenauen Ergebnissen führen. Genauere Ergebnisse können, wie in der VDI 2230 Blatt 1 empfohlen, aus der Herleitung des Krafteinleitungsfaktor (KEF) abgeleitet werden. Dabei werden die Verformungen im Montagezustand entlang der Schraubenachse und am Krafteinleitungsort herangezogen. Aus dem Verhältnis der Verformungen müssen Ingenieure direkt Rückschlüsse auf den Krafteinleitungsfaktor treffen.

Einschrauben-Ersatzmodell der VDI 2230 zum Anlernen der KI-Netze

Um diese Verformungen zu ermitteln, genügen Simulationsmodelle mit einer moderaten Diskretisierung. FE-Modelle mit kurzen Rechenzeiten erfüllen diesen Zweck. Für eine assistierende, softwareintegrierte Lösung ohne FE-Simulation wird für das Anlernen der KI-Netze das Einschrauben-Ersatzmodell der VDI 2230 mit reduzierter Geometrie genutzt.

Die analytische Berechnung von Schraubverbindungen nach VDI 2230 Blatt 1 erfolgt mit einem konstanten Kraftverhältnis. Grundlage dafür ist ein belastungsunabhängiges Steifigkeitsverhältnis. Es besteht aus der konstanten Nachgiebigkeit der Schraube δ_S und der Platte δ_P.

Bei klaffenden Verbindungen geht die reine Zug-Druck-Nachgiebgkeit in eine Biegenachgiebigkeit über. Es liegt ein belastungsabhängiges Kraftverhältnis vor. Mit einsetzendem Klaffen steigen die Plattennachgiebgkeit δ_P und das Kraftverhältnis φ deutlich an. Die Folge: Die Schraubenzusatzkraft steigt an und spiegelt sich direkt in der Sicherheit gegen Dauerbruch wider. Das lineare Federmodell der VDI 2230 kann diese nichtlineare, belastungsabhängige Nachgiebigkeit der Platte nicht abbilden. Das überproportionale Ansteigen der Schraubenzusatzkraft mit einsetzendem Klaffen wird daher mit einer zusätzlichen Forderung an die Klemmkraft ausgeschlossen. Exzentrische Verbindungen mit einsetzendem Klaffen am Rand müssen diesbezüglich häufig als unsicher bewertet werden. Auch wenn die mechanischen Versagensmechanismen (Sicherheit gegen Fließen und Dauerbruch) unter Berücksichtigung der Nichtlinearität ausgeschlossen werden.

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Exzentrische Verbindung - nichtlineares Kraftverhältnis mittels FE-Berechnung

Wird eine klaffende Verbindung mit einer strukturmechanischen Simulation untersucht, ist die Nichtlinearität der Steifigkeit mit beginnendem Klaffen Teil der Simulation. Der exponentielle Anstieg des Kraftverhältnisses geht mit einem exponentiellen Anstieg der Schraubenzusatzkraft und damit der dynamischen Last einher. Dabei wird die Funktionalität der Verbindung ausschließlich durch die statische und dynamische Sicherheit begrenzt, wenn der Anstieg strukturmechanisch erfasst wird und keine weiteren Einschränkungen bedingt durch seitliches Aufklaffen vorliegen. Der klaffende Bereich kann durch eine strukturmechanische Erfassung der Nichtlinearität in einer FE-Berechnung nach Vorgaben der VDI 2230 Blatt 2 erweitert werden.

Um weiterhin eine schnelle analytische Schraubenberechnung nach VDI 2230 zu ermöglichen, kann die Nichtlinearität im klaffenden Bereich in einen lastabhängigen Krafteinleitungsfaktor überführt werden. Die begrenzte Anzahl der Geometrievarianten und Parameter der Varianz ermöglichen einen Datenpool auf Basis von Simulationsergebnissen zu erstellen. Das durch Simulation angelernte KI-Netz des neuen Assistenten stellt im Prozess der analytischen Berechnung dann einen last- und geometrieabhängigen Krafteinleitungsfaktor bereit. Die Schraubenberechnung kann im gewohnten Umfeld der analytischen Berechnung erfolgen.

KI-Assistenten schon im Designprozess einsetzen

Sinnvolle Einsatzgebiete der KI-Assistenten sind auch bereits im Design-Prozess vorhanden – speziell für Mehrschraubenverbindungen mit einer vordefinierten Grundgeometrie und wenigen zu variierenden Geometrieparametern. Klassische und häufig verwendete Verbindungen sind zum Beispiel rechteckige und rotationssymmetrische Mehrschraubenverbindungen. Als Beispiel dient eine klassische Flanschverbindung. Hierbei ist die Zielgröße eine sicher dimensionierte Verbindung mit optimaler Sicherheit gegen Dauerbruch. Aus der exemplarisch durchgeführten Untersuchung lassen sich folgende Erkenntnisse zusammenfassen:

• Optimaler Teilkreis in Abhängigkeit von der Belastung

• Stark ausgeprägte Optima

• Großer Einfluss des Teilkreisdurchmesser auf die Sicherheit gegen Dauerbruch

Die Beispielberechnung zeigt, dass es sinnvoll ist, das Schraubenfeld zu optimieren. Die dafür notwendigen strukturmechanischen Serienrechnungen benötigen aber sehr viel Rechenzeit und lassen sich im Konstruktionsprozess schlecht realisieren. Die multiparametrischen Zusammenhänge aus Geometrievarianz und Belastungssituation sind auch empirisch schwer zu erfassen. Sie werden aber über eine ausreichende Datenmenge und den mathematischen Methoden aus einem angelernten Netz schnell gewonnen.

KI-Assistenz in Konstruktion und Entwicklung erst am Anfang

Künstliche Intelligenz als Assistenz im Prozess des Festigkeitsnachweises einzusetzen, spart nicht nur Zeit: Auch Produktinnovationen und Wettbewerbsfähigkeit werden direkt gefördert. KI-Assistenten können dies erreichen, wenn sie bei Eingabe, Ergebnisinterpretation und Integration von Simulationsergebnissen unterstützt werden. KI-basierte Assistenten lassen sich gut in analytische Berechnungen wie Mdesign integrieren. Die zusätzlich skizzierten Beispiele und Untersuchungen zeigen deutlich, dass das Maschinelle Lernen und die KI-Assistenz in Konstruktion und Entwicklung sich erst am Anfang befinden. Zahlreiche weitere Einsatzgebiete rund um Dimensionierung, Berechnung und Nachweisführung werden mit KI-Assistenten zukünftig bedient werden. Softwaregestützte Systeme wie Mdesign nutzen Cloud-basierte Architekturen, um diese neuen KI-Technologien wirtschaftlich für viele Arbeitsplätze verfügbar zu machen.

* *Projektleiter Schraubenverbindung bei Mdesign

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