Development of A Bolted Joint Simulation Model with Integrating Friction Changes for Repeated Use of Bolted Fasteners

Abstract

Threaded fasteners are commonly utilized in a wide range of applications. The significance of the clamping load value has an important impact, particularly in critical applications, since it directly impacts the life span of the assembled components. Despite the fact that bolted fasteners may be reused, the clamping load gradually decreases with each tightening cycle due to changes in friction coefficients. This scenario gives rise to significant challenges, particularly in situations where the clamp load has utmost importance. In this work, the experimental determination of the friction coefficient change was conducted in relation to the reuse of fasteners. Additionally, a friction change model was established based on the surface slip distance, taking into consideration the experimental results. The absence of the reuse effect, particularly in the context of numerical simulation research, highlights the necessity of establishing a dedicated framework for the creation of numerical simulation models to address this issue. The achievement of simulating the behavior of a bolt after the 5th tightening is made possible by incorporating the derived model, which is based on sliding distance, into the numerical simulation model. The torque outputs derived from the simulation model were compared to the data collected from experiments, and the corresponding error margins were computed. The slip-based friction model was found to significantly decrease the margin of error in the output torque, reducing it from 19.5% to 4.48% in comparison to the constant friction coefficient model.

Keywords

• Bolted Joint
• Friction Coefficient
• Finite Element Analysis
• Mechanic

Cıvatalı Bağlantı Elemanlarının Tekrarlı Kullanımı Durumunda Sürtünme Değişikliklerini Entegre Eden Cıvatalı Bağlantı Simülasyon Modelinin Geliştirilmesi

Abstract

Cıvatalı bağlantı elemanları günümüzde birçok mekanik uygulamada sıklıkla kullanılmaktadır. Özellikle kritik uygulamalarda, kilitleme yükü değeri, montajlanan parçaların yaşam ömrü için önem arz etmektedir. Cıvatalı bağlantı elemanları tekrar kullanılabilir elemanlar olmasına rağmen sürtünme katsayılarındaki değişim, her sıkım esnasında kilitleme yükünün giderek düşmesine sebebiyet vermektedir. Bu durum, özellikle kilitleme yükünün önem arz ettiği uygulamalarda, beklenmedik sonuçların meydana gelebileceğini ortaya koymaktadır. Çalışma kapsamında, bağlantı elemanlarının tekrar kullanımı durumundaki sürtünme katsayısı değişimi deneysel olarak belirlenmiş ve bu veriler ışığında yüzey kayma mesafesi bazlı sürtünme değişim modeli geliştirilmiştir. Sayısal simülasyon çalışmalarında tekrar kullanım etkisinin göz ardı edilmesinden dolayı, bu etkinin tahmin edilebilmesine olanak sağlayan modellerin geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Elde edilen kayma mesafesi bazlı sürtünme modeli, cıvatanın 5. sıkım sonucunda göstermiş olduğu davranışı, sayısal simülasyon yazılımı ile tahmin edebilmiştir. Model sonucunda elde edilen tork çıktıları, deneysel veri sonucunda elde edilen veriler ile kıyaslanarak hata payları çıkarılmıştır. Kayma mesafesi bazlı sürtünme modelinin, sürtünme katsayısının sabit kaldığı varsayımına dayanarak gerçekleştirilen simulasyonlardan elde edilen çıktı torkundaki hata payını, %19,5’ den %4,48’e düşürdüğü gözlemlenmiştir.

Keywords

• Cıvatalı bağlantı Elamanı
• Sürtünme Katsayısı
• Sayısal Simülasyon Modeli
• Mekanik

References

1. [1] Grabon, W.A., Osetek, M., Mathia, T.G. 2018. Friction of Threaded Fasteners, Tribology International, Cilt. 118, s. 408–420. DOI: 10.1016/j.triboint.2017.10.014
2. [2] Nassar, S.A., Matin, P.H., Barber, G.C. 2005. Thread Friction Torque In Bolted Joints, Journal of Pressure Vessel Technology, Transactions of the ASME, Cilt. 127, s. 387-393. DOI: 10.1115/1.2042474
3. [3] Nassar, S.A., Barber, G.C., Zuo, D. 2005. Bearing Friction Torque In Bolted Joints, Tribology Transactions, Cilt. 48, s. 69–75. DOI: 10.1080/05698190590899967
4. [4] DIN EN ISO 16047. 2013. Fasteners – Torque/clamp force testing. The International Organization for Standardization
5. [5] Nassar, S.A., Yang, X. 2008. Torque-Angle Formulation of Threaded Fastener Tightening, Journal of Mechanical Design, Cilt. 130, No.3. DOI: 10.1115/1.2821388
6. [6] Nassar, S.A., Zaki, A.M. 2009. Effect of Coating Thickness on the Friction Coefficients and Torque-Tension Relationship in Threaded Fasteners, Journal of Triboloji, Cilt. 131, s. 1–11. DOI: 10.1115/1.3085941
7. [7] Yu, Q., Zhou, H., Wang, L. 2015. Finite Element Analysis of Relationship Between Tightening Torque and Initial Load of Bolted Connections, Advances in Mechanical Engineering, Cilt. 7, No.5. DOI: 10.1177/1687814015588477
8. [8] Eliaz, N., Gheorghiu, G., Sheinkopf, H., Levi, O., Shemesh, G., Ben-Mordechai, A., Artzi, H. 2003. Failures of Bolts in Helicopter Main Rotor Drive Plate Assembly Due to Improper Application of Lubricant, Engineering Failure Analysis, Cilt. 10, s. 443–451. DOI: 10.1016/S1350-6307(03)00018-9

9. [9] Croccolo, D., De Agostinis, M., Vincenzi, N. 2012. Influence of Tightening Procedures and Lubrication Conditions on Titanium Screw Joints for Lightweight Applications, Tribology International, Cilt. 55, s. 68–76. DOI: 10.1016/j.triboint.2012.05.010
10. [10] Croccolo, D., De Agostinis, Fini, S., Olmi, G. 2017. Tribological Properties of Bolts Depending on Different Screw Coatings and Lubrications: An Experimental Study, Tribology International, Cilt. 107, s, 199–205. DOI: 10.1016/j.triboint.2016.11.028
11. [11] Eccles, W., Sherrington, I., Arnell, R.D. 2010. Frictional Changes During Repeated Tightening of Zinc Plated Threaded Fasteners, Tribology International, Cilt. 43, s. 700–707. DOI: 10.1016/j.triboint.2009.10.010
12. [12] Kumar, M., Persson, E., Sherrington, I., Glavatskih, S. 2022. Changes in Friction of Zinc Flake Coated Threaded Fasteners Due to Humidity, Temperature and Storage Duration, Tribology International, Cilt. 170, no. 107498 DOI:10.1016/j.triboint.2022.107498
13. [13] Housari, B. A., Nassar, S. A. 2007. Effect of Thread and Bearing Friction Coefficients on the Vibration-Induced Loosening of Threaded Fasteners. Journal of Vibration and Acoustics, Cilt. 129, s. 484–494. DOI:10.1115/1.2748473
14. [14] Nassar, S.A., El-Khiamy, H., Barber, G.C., Zou, Q., Sun, T.S. 2005. An Experimental Study of Bearing and Thread Friction in Fasteners, Journal of Tribolojy, Cilt. 127, s. 263–272. DOI:10.1115/1.1843167
15. [15] Mackerle, J. 2003. Finite Element Analysis of Fastening and Joining: A Bibliography (1990-2002), International Journal of Pressure Vessels and Piping, Cilt. 80, s. 253-271. DOI: doi.org/10.1016/S0308-0161(03)00030-9
16. [16] Ganeshmurthy, S., Nassar, S.A. 2014. Finite Element Simulation of Process Control for Bolt Tightening in Joints With Nonparallel Contact, J. Manuf. Sci. Eng., Cilt.136. DOI:10.1115/1.4025830
17. [17] Zadoks, R.I., Kokatam, D.P.R. 2001. Investigation of the Axial Stiffness of a Bolt Ssing a Three-Dimensional Finite Element Model, Journal of Sound and Vibration, Cilt. 246, s. 349-373. DOI:10.1006/jsvi.2001.3651
18. [18] MacDermid Enthone Industrial Solutions, Friction Control, https://industrial.macdermidenthone.com/products-and-applications/anti-corrosion/friction-control (Erişim Tarihi: 02.12.2023)
19. [19] ISO 898-1. 2013. Mechanical properties of fasteners made of carbon steel and alloy steel, The International Organization for Standardization
20. [20] Jiang, X. J., Hong, J., Shao, G. Q., Zhu, L. B., & Zhu, Y. S. 2014. An Analytical Model for Rotation Stiffness and Deformation of an Antiloosening Nut under Locking Force, International Journal of Rotating Machinery, Cilt. 68, no. 410813. DOI: 10.1155/2014/410813
21. [21] Zou, Q., Sun, T.S., Nassar, S.A., Barber, G.C., El-Khiamy, H., Zhu, D. 2007. Contact Mechanics Approach to Determine Effective Radius in Bolted Joints, Journal of Tribology, Cilt. 127 s. 30–36. DOI:10.1115/1.1829717
22. [22] Gong, H., Liu, J., Ding, X. 2016. Calculation of the Effective Bearing Contact Radius for Precision Tightening of Bolted Joints, Advances in Mechanical Engineering, Cilt. 8, s. 1-8. DOI: 10.1177/1687814016668445