2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16025Bolted joints are the most used and most important joints in mechanical engineering and steel construction. But engineers still have to deal with failures during the tightening process and in operation. During the tightening process, failures often manifest themselves in the form of or are related to stick-slip phenomena. During operation, bolted joints may turn loose when they are subjected to dynamic loads in form of shock, vibration, or cyclic thermal loadings. In both cases, failures are initiated by microslip motion and hence by a transition from sticking to sliding. Recent findings, especially from physics and the geosciences, have shown that wave processes and fracture-like dynamics may play a decisive role in the transitions between sticking and sliding of the contact partners. Against this background, static friction can be no longer considered as a pure material constant. In fact, first modeling approaches treat static friction as a dynamical process. Especially the beginning (microslip) of the sticking to sliding transition of the interface as well as the whole process (complete failure) is determined by the stress distribution in the interface. In this project, these findings should be transferred to the dimensioning, the tightening, and the operational behavior of bolted joint connections. By the development of appropriate models, taking the friction dynamics in the interface into account, we will gain knowledge on the mechanics of microslip and complete failure of bolted joint connections. For the validation of these models, four experimental parts are included in the program. In the first part, we will study asymmetries affecting the stress distribution in the interface and thus the static friction coefficient on a disc-on-disc setup. In the second part, we will investigate how the shape of the bolt head is affecting the stress distribution in the interface and thus stick-slip motion during the tightening process of bolted joints. In the third part, we will combine the most promising principles from the first two parts by designing new types of stick-slip reducing bolts. In the fourth and last part, we will study the effect of vibrations on the self-loosening of bolted joints during operation. As a consequence of the theoretical and experimental work, we will derive a first set of guidelines for designing bolted joints which are robust to stick-slip during tightening and will not suffer from failure in operation due to vibrational motion.Schraubenverbindungen gehören zu den wichtigsten und am häufigsten verwendeten Verbindungen im Maschinenbau und im Bauingenieurwesen. Trotzdem treten während des Anziehvorgangs sowie des Betriebs immer noch Ausfälle auf. Während des Anziehvorgangs sind Ausfälle häufig das Resultat von Stick-Slip-Erscheinungen. Im Betrieb können sich Schraubenverbindungen lösen, wenn sie dynamischen Lasten in Form von Stößen, Schwingungen oder zyklischen thermischen Belastungen ausgesetzt sind. In beiden Fällen werden die Ausfälle durch Mikroschlupf und damit den Übergang von Haften zu Gleiten ausgelöst. Jüngere Erkenntnisse zur Reibung in Grenzflächen, gewonnen vor allem in der Physik und in den Geowissenschaften, haben gezeigt, dass dabei Wellen- und Bruchprozesse eine entscheidende Rolle spielen. Vor diesem Hintergrund kann statische Reibung nicht mehr mit einem Materialparameter allein beschrieben werden. In der Tat betrachten erste Modellierungsansätze statische Reibung als einen dynamischen Prozess. Insbesondere wird der Beginn (Mikroschlupf) des Haft-Gleit-Übergangs sowie dessen gesamter Verlauf (Totalversagen) der Kontaktfläche durch die Spannungsverteilung in dieser bestimmt. Diese Erkenntnisse sollen in diesem Projekt auf die Auslegung, das Anziehen und das Betriebsverhalten von Schraubenverbindungen übertragen werden. Durch die Entwicklung geeigneter Modelle, die die Reibdynamik in der Wirkfläche abbilden, sollen Erkenntnisse über die Mechanik des Mikroschlupfs und des Totalversagens von Schraubenverbindungen gewonnen werden. Zur Validierung der Modelle beinhaltet die Arbeit vier experimentelle Teile. Im ersten Teil wird der Einfluss von Asymmetrien auf die Spannungsverteilung in der Grenzfläche an einem Scheibe-auf-Scheibe-System untersucht. Der zweite Teil beschäftigt sich mit dem Einfluss der Kopfform auf die Spannungsverteilung in der Grenzfläche und damit das Stick-Slip-Verhalten beim Anziehen von Schraubenverbindungen. Im dritten Teil sollen die vielversprechendsten Prinzipien aus den ersten beiden Teilen miteinander kombiniert und daraus eine Stick-Slip reduzierende Schraube konzipiert werden. Im vierten und letzten Teil wird der Einfluss von Schwingungen auf das selbsttätige Lösen von Schraubenverbindungen während ihres Betriebs untersucht. Als Konsequenz der theoretischen und experimentellen Arbeit sollen erste Richtlinien für die Konstruktion von Schraubenverbindungen entwickelt werden, welche sowohl robust gegenüber Stick-Slip während des Anziehens als auch gegenüber einem Ausfall während des Betriebs sind.