Fatigue strength of a bolt under pulsating compressive stress
Hyvönen, Ilkka (2021)
Diplomityö
2021
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021090845554
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021090845554
Tiivistelmä
This research aims to find out the main factors about fatigue strength of a bolt that is under pulsating compressive stress and to analyze the potential benefits and disadvantages of increasing the bolt preload.
The stress distribution of threads is studied with the finite element method. The highest stress concentration factor and reaction forces of the bolt are found in the first contacting thread, but the highest shear stress values are in the last contacting thread. The fatigue strength of the bolt can be improved by tapered threads, which distribute the load more evenly between threads.
Increased bolt preload does not automatically reduce the stress amplitude, but it is dependent on the bolt joint configuration and bolt load ratio of the joint. Fatigue damage of the shank is not expected if the bending stress component is not high enough to cause a tensile state to the shank. Fatigue failure of a compression-loaded bolt is most likely going to occur by shearing of threads or by shearing of the bolt head. Tämän tutkimuksen tavoitteena on perehtyä tykyttävässä puristuskuormituksessa olevan pultin väsymislujuuteen vaikuttaviin päätekijöihin, sekä selvittää pultin esikiristysvoiman kasvattamisen mahdollisia etuja ja haittoja.
Kierreliitoksen lovenmuotolukuja tutkitaan epäsymmetrisen kuormituksen alaisena ja kahdella erilaisella materiaalimallilla. Pultin suurin muotoluku ja reaktiovoima ovat ensimmäisellä kontaktissa olevalla kierteellä, mutta suurimmat leikkausjännitykset ovat viimeisellä kontaktissa olevalla kierteellä. Pultin väsymislujuutta on mahdollista parantaa kartiomaisella profiililla, jolloin kuorma jakautuu tasaisemmin eri kierteille.
Esikiristysvoiman kasvattaminen ei automaattisesti alenna pultin jännitysamplitudia, koska tämä on riippuvaista ruuviliitoksen rakenteesta ja lisävoimakertoimesta. Ruuvin varren väsymisvaurio ei ole odotettavissa, ellei taivutusjännityskomponentti ole riittävän suuri aiheuttamaan varteen vetojännitystilan. Puristuskuormitteisen ruuvin väsymisvaurio tapahtuu todennäköisimmin ruuvin kierteiden tai kannan leikkaantumisena
The stress distribution of threads is studied with the finite element method. The highest stress concentration factor and reaction forces of the bolt are found in the first contacting thread, but the highest shear stress values are in the last contacting thread. The fatigue strength of the bolt can be improved by tapered threads, which distribute the load more evenly between threads.
Increased bolt preload does not automatically reduce the stress amplitude, but it is dependent on the bolt joint configuration and bolt load ratio of the joint. Fatigue damage of the shank is not expected if the bending stress component is not high enough to cause a tensile state to the shank. Fatigue failure of a compression-loaded bolt is most likely going to occur by shearing of threads or by shearing of the bolt head.
Kierreliitoksen lovenmuotolukuja tutkitaan epäsymmetrisen kuormituksen alaisena ja kahdella erilaisella materiaalimallilla. Pultin suurin muotoluku ja reaktiovoima ovat ensimmäisellä kontaktissa olevalla kierteellä, mutta suurimmat leikkausjännitykset ovat viimeisellä kontaktissa olevalla kierteellä. Pultin väsymislujuutta on mahdollista parantaa kartiomaisella profiililla, jolloin kuorma jakautuu tasaisemmin eri kierteille.
Esikiristysvoiman kasvattaminen ei automaattisesti alenna pultin jännitysamplitudia, koska tämä on riippuvaista ruuviliitoksen rakenteesta ja lisävoimakertoimesta. Ruuvin varren väsymisvaurio ei ole odotettavissa, ellei taivutusjännityskomponentti ole riittävän suuri aiheuttamaan varteen vetojännitystilan. Puristuskuormitteisen ruuvin väsymisvaurio tapahtuu todennäköisimmin ruuvin kierteiden tai kannan leikkaantumisena