Effect of initial clearance on the maximum stress in pin–lug joints: A finite element investigation

Öz

This study investigates the effect of initial clearance on the maximum stress distribution in pin-loaded lug connections, a critical factor influencing joint strength, durability, and design reliability. To this end, finite element analysis (FEA) was employed to model round-ended lug–pin joints with varying pin–hole clearances under different applied loads, and parametric simulations were conducted to identify the transition zone where tensile and compressive stresses become comparable. The results show that clearance has a profound influence on stress behavior: small clearances maintain relatively uniform stress distributions, whereas modest increases trigger a dramatic shift from tensile- to compressive-dominated regions. This transition is highly sensitive to applied load, producing nonlinear changes in the location of maximum stress. Larger clearances also lead to highly localized contact stresses, sharply amplifying compressive stresses and highlighting potential hotspots for surface damage, plastic deformation, and fatigue initiation. These findings demonstrate that critical stress behavior in lug–pin joints is dynamically dependent on both geometry and loading conditions, challenging traditional assumptions in joint design. The study provides a quantitative assessment of the interplay between clearance and applied load, offering practical guidance for achieving balanced stress distribution and improving the durability and reliability of lug–pin connections.

Anahtar Kelimeler

• Lug–pin joint
• Clearance effect
• Stress concentration
• Critical stress location
• Finite element analysis (FEA)

Pim–Kulak bağlantılarında başlangıç boşluğunun maksimum gerilme üzerindeki etkisi: Sonlu elemanlar incelemesi

Öz

Bu çalışma, pim yüklü kulak bağlantılarında başlangıç boşluğunun maksimum gerilme dağılımı üzerindeki etkisini incelemektedir. Bu etki, bağlantı dayanımı, dayanıklılığı ve tasarım güvenilirliği açısından kritik bir faktördür. Bu amaçla, farklı pim–delik boşluklarına sahip yuvarlatılmış uçlu kulak–pim bağlantıları sonlu elemanlar analizi (FEA) kullanılarak modellenmiş ve uygulanan farklı yükler altında parametrik simülasyonlar gerçekleştirilerek çekme ve basma gerilmelerinin karşılaştırılabilir hale geldiği geçiş bölgesi belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, boşluğun gerilme davranışı üzerinde önemli bir etkisi olduğunu göstermektedir: Küçük boşluklar nispeten düzgün gerilme dağılımlarını korurken, boşluğun bir miktar artması çekme baskın bölgelerden basma baskın bölgelere doğru dramatik bir kaymayı tetiklemektedir. Bu geçiş, uygulanan yüke oldukça duyarlıdır ve maksimum gerilme bölgesinde doğrusal olmayan değişimlere neden olmaktadır. Daha büyük boşluklar ise temas gerilmelerinin oldukça yerelleşmesine yol açarak basma gerilmelerini keskin bir şekilde artırmakta; yüzey hasarı, plastik deformasyon ve yorulma başlangıcı için potansiyel kritik bölgeleri ortaya çıkarmaktadır. Bu bulgular, kulak–pim bağlantılarındaki kritik gerilme davranışının hem geometriye hem de yükleme koşullarına dinamik olarak bağlı olduğunu göstererek, geleneksel bağlantı tasarımı varsayımlarını sorgulamaktadır. Çalışma, boşluk ile uygulanan yük arasındaki etkileşimi nicel olarak değerlendirerek, dengeli gerilme dağılımı sağlanması ve kulak–pim bağlantılarının dayanıklılık ve güvenilirliğinin artırılması için pratik bir rehber sunmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Kulak–pim bağlantısı
• Boşluk etkisi
• Gerilme yığılması
• Kritik gerilme bölgesi
• Sonlu elemanlar analizi (SEA)

Kaynakça

1. K. Iyer, “Solutions for contact in pinned connections,” Int. J. Solids Struct., vol. 38, no. 50–51, pp. 9133–9148, 2001.
2. A. Strozzi, M. Giacopini, E. Bertocchi, S. Mantovani, and A. Baldini, “Towards an analytical model of a pin-lug connection,” Int. J. Solids Struct., vol. 253, p. 111446, 2022, doi: 10.1016/j.ijsolstr.2022.111446.
3. D. Duerr, “Pinned connection strength and behavior,” Journal of structural engineering, vol. 132, no. 2, pp. 182–194, 2006.
4. A. Strozzi, A. Baldini, M. Giacopini, S. Rivasi, and R. Rosi, “Maximum Stresses in a Taper-shanked Round-ended Lug Loaded by an Oblique Concentrated Force,” Strain, vol. 43, no. 2, pp. 109–118, May 2007, doi: https://doi.org/10.1111/j.1475-1305.2007.00321.x.
5. R. N. Tolbert and R. M. Hackett, “Experimental investigation of lug stresses and failures,” Engineering Journal, vol. 11, no. 2, pp. 34–37, 1974.
6. R J Grant, J Smart, and P Stanley, “A parametric study of the elastic stress distribution in pin-loaded lugs,” J. Strain Anal. Eng. Des., vol. 29, no. 4, pp. 299–307, Oct. 1994, doi: 10.1243/03093247V294299.
7. Antonio Strozzi and Enrico Radi, “Analytical tool assisting the designer of pin-lug connections,” Proc. Inst. Mech. Eng. C J. Mech. Eng. Sci., vol. 237, no. 23, pp. 5734–5742, Dec. 2023, doi: 10.1177/09544062231167264.
8. W. D. Pilkey, D. F. Pilkey, and Z. Bi, Peterson’s stress concentration factors. John Wiley & Sons, 2020.

9. Yanmin Li, Rui Huang, Shusen Zhao, and Jingyu Wang, “Contact pressure analysis of pin-loaded lug with clearance,” Advances in Mechanical Engineering, vol. 14, no. 6, p. 16878132221107476, Jun. 2022, doi:10.1177/16878132221107475.
10. T. S. Ramamurthy, “New studies on the effect of bearing loads in lugs with clearance fit pins,” Compos. Struct., vol. 11, no. 2, pp. 135–150, 1989, doi: https://doi.org/10.1016/0263-8223(89)90065-2.
11. H. Reißner and F. Strauch, “Ringplatte und Augenstab,” Ingenieur-Archiv, vol. 4, no. 5, pp. 481–505, 1933.
12. M. M. Frocht and H. N. Hill, “Stress-Concentration Factors Around a Central Circular Hole in a Plate Loaded Through Pin in the Hole,” J. Appl. Mech., vol. 7, no. 1, pp. A5–A9, Mar. 2021, doi: 10.1115/1.4008987.
13. A. Persson, On the stress distribution of cylindrical elastic bodies in contact. Chalmers University of Technology, 1964.
14. S. B. Liu and C. L. Tan, “Two-dimensional boundary element contact mechanics analysis of pin-loaded lugs with single cracks,” Eng. Fract. Mech., vol. 48, no. 5, pp. 711–725, 1994.
15. S. B. Liu and C. L. Tan, “Boundary element contact mechanics analysis of pin-loaded lugs,” Comput. Struct., vol. 53, no. 3, pp. 653–665, 1994.
16. N. L. Pedersen, “Stress concentration and optimal design of pinned connections,” J. Strain Anal. Eng. Des., vol. 54, no. 2, pp. 95–104, 2019.
17. R. J. Callinan, “Stress analysis of a lug loaded by a pin,” 1977.
18. D. J. Cartwright and A. P. Parker, “Opening mode stress intensity factors for cracks in pin-loads joints,” Int. J. Fract., vol. 18, no. 1, pp. 65–78, 1982, doi: 10.1007/BF00034829.
19. A Strozzi, A Baldini, M Giacopini, E Bertocchi, and L Bertocchi, “Maximum equivalent stress in a pin-loaded lug in the presence of initial clearance,” J. Strain Anal. Eng. Des., vol. 46, no. 8, pp. 760–771, Nov. 2011, doi: 10.1177/0309324711423587.
20. D. Systèmes, “Abaqus Documentation (Dassault Systèmes, Providence, RI),” 2014, Version.
21. N. D. Kankanamge and M. Mahendran, “Mechanical properties of cold-formed steels at elevated temperatures,” Thin-Walled Structures, vol. 49, no. 1, pp. 26–44, Jan. 2011, doi: 10.1016/j.tws.2010.08.004.
22. D. Systèmes, “Abaqus Analysis User’s Manual: Element Library.,” Dassault Systèmes, 2016.
23. “References for the Design of Steel Structures,” in Structural Steel Design to Eurocode 3 and AISC Specifications, 2016, pp. 34–48. doi: https://doi.org/10.1002/9781118631201.ch2.
24. R. G. Budynas and J. K. Nisbett, Shigley’s mechanical engineering design, vol. 9. McGraw-Hill New York, 2011.