Finite element analysis of bolted joint subjected to impact loading

Abstract

Mekanik parçalar yaygın olarak cıvatalar kullanılarak bağlanırlar. Kullanım süreleri sırasında çoğu zaman ani çarpışma yüklerine maruz kalırlar. Tasarım prosesinde cıvatalı bağlantının bu yükler altındaki davranışını bilmek gereklidir. Bu çalışmanın amacı ani çarpma yükleri altında cıvatalı bağlantılar için sonlu elemanlar modelleri geliştirmektir. Tam modelleme yaklaşımının amacı olayın fiziğini hesaplama maliyetlerini göze almaksızın mümkün olduğu kadar doğru simule etmektir. Birçok bağlantı elemanı içeren mekanik bir yapını tasarım aşamasında tam sonlu elemanlar modelini kullanmak pratik değildir. Zira analizin hesaplama maliyeti dramatik olarak artmaktadır. Bunun yerine sadece cıvatanın temel etkilerini yerine getiren basitleştirilmiş modeller kullanılarak analiz yükü önemli miktarda düşürülebilmektedir. Buna bağlı olarak hesaplama yükünü azaltarak cıvatalı bağlantının davranışını tahmin edebilen basitleştirilmiş sonlu elemanlar cıvata modelleri geliştirilmiştir. Daha sonra, en efektif modeli bulmak amacıyla değişik yükleme koşullarında sonuç doğruluğu ve hesaplama zamanı gibi kriterler kullanılarak basitleştirilmiş modeller tam modelle karşılaştırılmıştır.

Mechanical components are commonly fastened together through bolts. Many times, they are subjected to impact loads in use. The behavior of the joints under these conditions should be known in a design process. The objective of this study is to develop finite element models of bolted joints under impact loading. First, a three dimensional finite element model for a bolted joint was developed in order to simulate its behavior under impact loading. With this full modeling, the aim was to simulate the physics of the impact event as accurately as possible without giving any concern on computational cost. In the design of mechanical structures containing numerous fastening elements, use of full models is not practicable, because the computational cost of the analysis dramatically increases with increased number of complex interacting parts. Instead, simplified models accounting for only dominating effects should be utilized such that analysis time can significantly be reduced without sacrificing from the accuracy. Accordingly, a number of simplified finite element bolt models were developed and then compared with the full model regarding the solution accuracy and computational cost for different loading cases to determine the most representative and cost effective simplified model.