İç Rot Başı Saplamasının Şekillendirme Analizinin Sonlu Elemanlar Yöntemi ve Deneylerle İncelenmesi

Abstract

Bu çalışma, bir iç rot başı saplamasının şekillendirme sürecinin sonlu elemanlar modellemesini, deneysel testlerle destekleyerek sunmaktadır. SAE 1040 ve 16MnCr5 olmak üzere iki farklı malzemeden üretilmiş üç farklı rot başı saplama tasarımı, hem sayısal hem de deneysel yöntemler kullanılarak analiz edilmiştir. Saplama kapatma operasyonu simülasyonunda malzemenin çok doğrulu izotropik pekleşme davranışını içeren doğrusal olmayan, yer değiştirme tabanlı bir modelleme tekniği kullanılmıştır. Bu çalışmada, üç farklı tasarım için rot başı saplamasının şekillendirilmesi sırasında meydana gelen genleşme etkileri,artık gerilmeler ve bunların malzeme genleşmesi üzerindeki etkileri odak alınarak incelenmiştir. Plastik artık genlemeler, anahtar ağzı bölgelerinde malzeme genleşmesine katkıda bulunan temel faktör olarak belirlenmiştir. Malzemenin pekleşme hızı, yükleme sonrası azalan süneklik ve akma dayanımı da sonuçları etkileyen önemli parametrelerdir. Hem 16MnCr5 hem de SAE 1040 çeliklerinde şekil değiştirme pekleşmesi nedeniyle sertliğin arttığı görülmüş; buna karşılık mikro yapının malzeme genleşmesi üzerinde belirgin bir etkisinin olmadığı belirlenmiştir. Sonuçlar, kritik anahtar ağzı bölgesinde sınırlı plastik artık genlemelere ve daha yüksek akma dayanımına sahip olması nedeniyle 16MnCr5 çeliğinde herhangi bir malzeme genleşmesi gözlenmediğini; buna karşılık SAE 1040 çeliğinde genleşme meydana geldiğini göstermektedir. Geleneksel iç rot başı saplaması ile karşılaştırıldığında, anahtar ağzı kısımlarında keskin köşelerde yoğunlaşan artık gerilmeler nedeniyle anahtar ağzı uzunluğunun malzeme genleşmesi üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu belirlenmiştir. SAE 1040 çeliğinde, daha yüksek pekleşme hızı ve şekillendirme sonrası azalan süneklik nedeniyle şekillendirilmiş uç bölgede kalıcı hasar oluştuğu gözlenmiştir.

Keywords

• İç Rot Başı Saplaması
• Şekillendirme Analizi
• Artık Gerilme Analizi
• Elastoplastik Sonlu Elemanlar Analizi (FEA)
• Plastik Artık Genlemeler,

Forming Analysis of an Inner Tie-Rod End Stud Using Finite Element Modeling and Experiments

Abstract

This study presents the finite element modeling of the forming process of an inner tie-rod end stud, complemented by experimental tests. Three rod-end stud designs made from two materials, SAE 1040 and 16MnCr5, were analyzed using both numerical and experimental methods. A nonlinear, displacement-based modeling technique is employed to simulate the stud closing operation, incorporating the material's multilinear isotropic hardening behavior. This study examines the effects of expansion during the forming of a tie-rod end stud in three different designs, with a focus on residual stresses and their impact on material behavior. Residual plastic strains are identified as a key factor contributing to material expansion in the wrench sections. The material hardening rate, reduced ductility after loading, and yield strength are also important parameters affecting the results. The hardness increases due to strain hardening for both 16MnCr5 and SAE 1040 steels, while the microstructure does not seem to have a notable influence on material expansion. The results indicate that no material expansion is observed in 16MnCr5 due to its higher yield strength and limited residual plastic strains in the critical wrench zone, in contrast to SAE 1040 steel. In comparison with the conventional inner tie-rod end stud, the wrench-flat length has a significant effect on material expansion due to the residual stresses concentrated at the sharp corners. Permanent damage at the formed end zone is observed in SAE 1040 steels due to its higher hardening rate and reduced ductility after forming.

Keywords

• Inner Tie Rod End Stud
• Forming Analysis
• Residual Stress Analysis
• Plastic Residual Strains
• Elastoplastic Finite Element Analysis (FEA).

References

1. [1] M. Z. Okur and D. A. Bircan, “Design and simulation of a heavy-duty vehicle steering component by analytic and FEA method,” Eurasian Journal of Science, Engineering and Technology, vol. 2, no. 1, pp. 1–9, 2021.
2. [2] A. H. Falah, M. A. Alfares and A. H. Elkholy, “Failure investigation of a tie-rod end of an automobile steering system,” Engineering Failure Analysis, vol. 14, pp. 895–902, 2007, doi:10.1016/j.engfailanal.2006.11.045.
3. [3] O. Ikechukwu, E. O. Ebunilo, and E. Ikpe, “Investigation of a vehicle tie-rod failure in relation to the forces acting on the suspension system,” American Journal of Engineering Research, vol. 5, no. 6, pp. 208–217, 2016.
4. [4] W. Duan and S. Joshi, “Analysis of threaded connections in large-scale steel tie rods,” Engineering Failure Analysis, vol. 18, pp. 2008–2018, 2011, doi:10.1016/j.engfailanal.2011.06.002.
5. [5] S. K. Koh, “Fatigue analysis of an automotive steering link,” Engineering Failure Analysis, vol. 16, pp. 914–922, 2009, doi:10.1016/j.engfailanal.2008.08.014.
6. [6] M. Ozsoy and M. K. Pehlivan, “Computer-aided structural analysis of a tie-rod end,” Acta Physica Polonica A, vol. 128, no. 2-B, pp. 488–490, 2015, doi:10.12693/APhysPolA.128.B-488.
7. [7] A. J. Godase and P. P. Kulkarni, “Tie rod design and analysis: A review,” International Journal of Current Engineering and Technology, vol. 7, no. 6, pp. 2046–2050, 2017.
8. [8] I. N. Budak and M. Pekedis, “Plastik şekil değişimine uğramış otomobil rotunun yorulma davranışının deneysel ve sayısal analizi,” Dokuz Eylül Üniversitesi Fen ve Mühendislik Dergisi, vol. 23, no. 68, pp. 647–659, 2021, doi:10.21205/deufmd.2021236826.

9. [9] K. Polat, M. M. Topac and F. Çoban, “Effect of design parameters on buckling tendency of an eccentric drag link used in a truck steering linkage: A DOE/RSM-based design optimisation study,” Journal of Automotive Science and Technology, vol. 8, no. 3, pp. 387–396, 2024, doi:10.30939/ijastech.1484736.
10. [10] P. M. Chavan and M. M. M. Patnaik, “Performance evaluation of passenger car tie rod using numerical and theoretical approach with different materials,” International Journal of Research in Engineering and Technology, vol. 3, no. 8, pp. 92–100, 2014, doi:10.15623/IJRET.2014.0308015.
11. [11] P. R. Vithalkar and R. R. Gawande, “Study of analysis of bus passenger tie rod: A review,” International Journal of Research in Engineering and Technology, vol. 4, no. 11, pp. 239–241, 2015, doi:10.15623/IJRET.2015.0411041.
12. [12] E. Uludamar, S. G. Biçer and M. Taş, “Sonlu elemanlar metodu kullanılarak rot üzerinde oluşan gerilmelerin hesaplanması,” Adana Bilim ve Teknoloji Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, vol. 1, no. 2, pp. 30–35, 2018.
13. [13] L. Zang and E. Dong, “Dynamics simulation on vehicle steering mechanism,” in Proc. 2nd Int. Conf. Electronic & Mechanical Engineering and Information Technology, 2012, pp. 1952–1955, doi:10.2991/emeit.2012.432.
14. [14] I. A. Essienubong, O. Ikechukwu, P. O. Ebunilo, and E. E. Ikpe, “Static analysis on a vehicle tie rod to determine the resulting buckling displacement,” International Journal of Industrial and Manufacturing Systems Engineering, vol. 1, no. 1, pp. 16–24, 2016, doi:10.11648/j.ijimse.20160101.13.
15. [15] H. Basak, “Outer tie rod design by using topology optimization, analysis and verification,” Journal of Polytechnic, vol. 27, no. 3, pp. 1055–1068, 2024, doi:10.2339/politeknik.1198353.
16. [16] A. Diaz et al., “Residual stresses in cold-formed steel members: Review of measurement methods and numerical modelling,” Thin-Walled Structures, vol. 159, 2021, doi:10.1016/j.tws.2020.107335.
17. [17] R. H. Wagoner and J. L. Chenot, Metal Forming Analysis. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2005, doi:10.1017/CBO9781139087070.
18. [18] S. Kobayashi, S. I. Oh and T. Altan, Metal Forming and the Finite-Element Method. Oxford, UK: Oxford University Press, 1989.
19. [19] E. Oñate et al., Advances in Computational Plasticity. Cham, Switzerland: Springer, 2017, doi:10.1007/978-3-319-60885-3.
20. [20] J. Riháček and L. Mrňa, “Comparison of implicit and explicit algorithms of finite element method for the numerical simulation of hydroforming process,” MM Science Journal, pp. 1326–1331, 2016, doi:10.17973/MMSJ.2016_11_2016114.
21. [21] B. B. He et al., “High dislocation density-induced large ductility in deformed and partitioned steels,” Science, vol. 357, pp. 1029–1032, 2017, doi:10.1126/science.aan0177.
22. [22] W. M. Quach and P. Qiu, “Strength and ductility of corner materials in cold-formed stainless-steel sections,” Thin-Walled Structures, vol. 83, pp. 28–42, 2014, doi:10.1016/j.tws.2014.01.020.
23. [23] E. Schafler et al., “Dislocation densities and internal stresses in large strain cold worked pure iron,” Materials Science and Engineering A, vol. 234–236, pp. 445–448, 1997, doi:10.1016/S0921-5093(97)00168-8.
24. [24] R. Su et al., “Factors influencing residual stresses in cold expansion and their effects on fatigue life: A review,” Coatings, vol. 13, no. 12, pp. 1–23, 2023, doi:10.3390/coatings13122037.
25. [25] Z. Marciniak, J. L. Duncan and S. J. Hu, Mechanics of Sheet Metal Forming. Oxford, UK: Elsevier, 2002, doi:10.1016/b978-0-7506-5300-8.x5000-6.
26. [26] T. X. Yu and W. Johnson, “Influence of axial force on the elastic-plastic bending and springback of a beam,” Journal of Materials Processing Technology, vol. 6, pp. 5–21, 1982, doi:10.1016/0378-3804(82)90016-X.
27. [27] S. L. Zang et al., “A model of one-surface cyclic plasticity and its application to springback prediction,” International Journal of Mechanical Sciences, vol. 53, pp. 425–435, 2011, doi:10.1016/j.ijmecsci.2011.03.005.
28. [28] R. H. Wagoner, H. Lim and M. G. Lee, “Advanced issues in springback,” International Journal of Plasticity, vol. 45, pp. 3–20, 2013, doi:10.1016/j.ijplas.2012.08.006.
29. [29] O. Aydin and C. Simsir, “Application of the contour method to determine axial residual stresses in cold extruded steel rods,” FME Transactions, vol. 49, pp. 941–949, 2021, doi:10.5937/fme2104941A.
30. [30] A. Calık, O. Sahin and N. Ucar, “Mechanical properties of boronized AISI steels,” Acta Physica Polonica A, vol. 115, no. 3, pp. 694–698, 2008, doi:10.12693/APhysPolA.115.694.
31. [31] R. Marangoz et al., “Hydroforming analysis of exhaust pipe connectors,” Materials Testing, vol. 62, no. 9, pp. 901–907, 2020, doi:10.1515/mt-2020-620907.
32. [32] ASM Handbook, Volume 4C: Induction Heating and Heat Treatment. ASM International, 2014.
33. [33] J. P. Houin, A. Simon and G. Beck, “Relationship between structure and mechanical properties of pearlite,” ISIJ International, vol. 21, pp. 726–731, 1980, doi:10.2355/isijinternational1966.21.726.