Radial und axial vorgespannte Bolzenverbindungen für dickwandige Strukturen aus Faserkunststoffverbunden

Abstract

Strukturen aus Faserkunststoffverbunden (FKV) haben im Verhältnis zu Metallen sehr geringe Lochleibungsfestigkeiten. Bolzenverbindungen an hochbelasteten FKV-Strukturen erfordern daher massive Aufdickungen, um eine ausreichende Tragfähigkeit zu erhalten. Dies beeinträchtigt die Leichtbaugüte und Wirtschaftlichkeit, und führt zu Platzproblemen in Anwendungen mit begrenztem Bauraum wie segmentierten Rotorblättern von Windenergieanlagen. Radiale und axiale Vorspannung sind gängige Methoden, um die Verbindungsfestigkeit bei dünnwandigen FKV-Strukturen zu erhöhen. Diese Arbeit überträgt das Prinzip auf dickwandige FKV-Strukturen mit der Entwicklung der RAX-Verbindung (radial und axial vorgespannte Bolzenverbindung). Ein konischer Bolzen in Verbindung mit einem geschlitzten Ring ermöglichen große radiale Bohrungsaufweitungen, während der FKV gleichzeitig durch Flansche in Dickenrichtung gestützt wird, um Delaminationen zu unterdrücken. Analytische Modelle und Finite-Elemente-Berechnungen zeigen günstigere Spannungsverläufe im Vergleich zu konventionellen Bolzenverbindungen. Lochleibungstests bestätigen eine 30 % höhere Festigkeit unter statischer Last und 90 % höhere Festigkeit bei zyklischer Last (1 Mio. Lastwechsel).