Tilleggsbelastninger i bolter i utmattingspåkjente T-stykke forbindelser

Abstract

This paper discusses methods to determine additional loads bolts susceptible to fatigue-T connections. The reason for this exercise is the desire to increase the level of knowledge in this area. There is very little in literature and standards on this subject. The target of the study was to gain overview of existing formulas to calculate prying forces in T-connections subjected to dynamic loads. The results should be compared against analysis in Ansys Workbench. If possible, it would also be prepared separate formulas that would be verified against Ansys Workbench. It should also draw up a supervisor who showed step by step how an analysis of additional forces could be estimated in Ansys Workbench. It has been carried out literature studies of screw charts, calculations of prying forces and fatigue standards to get an overview of the effects that affected screw. To test out theories it have been set up models in Ansys. These have been tried up against theory of both prying forces and screw chart. The studies of the screw charts has led to two main theories. One calculating the compressed parts using pressure cone, Shigly [2] and the other uses a cylinder, Waløen [1]. It turns out that the theory that uses pressure cone coincides best with Ansys results. This is also much more complicated to use. Evidence indicates that Ansys analysis is very conservative, yet both methods fall conservatively into practice. Evidence indicates that, since the method of cylinder is mostly used in Norway. The studies of prying forces has headed to two equations which predict prying forces and the smallest flange thickness these formulas apply. The formulas are very similar in their structure, but one is more conservative than the other. It's just the most conservative formula that provides opportunities for fatigue analysis. These fatigue analysis is also little nuanced and provides only the result that says less than 20,000 cycles, between 20,000 and 500,000 and over 500,000 cycles, screw guide [3]. From these data, it constructed a fatigue curve to compare with Ansys analyzes. These comparisons do not coincide very well. More factors than prying forces play a role when we look at fatigue. By prying forces we also get a bending effect in the screw. This often generate bending stresses which give almost equally large changes inn stress range in many cases, as prying forces alone. Of fatigue standards it has been looked in to DNV-RP-C203 [6] and EN 1993-1-9 [5]. The literature does not say anything about witch fatigue curve that is suitable if you have prying forces. DNV-RP-C203; W2 and EN 1993-1-9; 40 is used in this report. These curves are also almost identical. The formulas for prying forces don’t say anything about stress range. It is actually stress range who is used in the fatigue standards. It's also bean created formulas to calculate the lifetime of bolts by susceptible to fatigue T-pieces based on the formulas that have been examined in the report. This formula publishes stress range, so it can be used with fatigue standards . The result of the comparison with Ansys, gives a curve on the conservative side. This formulas is very extensive and complicated, so it is relatively easy to get a calculation error along the way. Finally, it has bean produced a guide to determine stress range in Ansys. The model in this guide is design so all dimensions can be changed easily inside Ansys. This makes it possible to calculate models with other dimensions than the model initially.

Denne oppgaven tar for seg metoder for å fastlegge tilleggsbelastninger i bolter i utmattingspåkjente T-stykkeforbindelser. Bakgrunnen for denne oppgaven er at det er ønskelig å øke kunnskapsnivået på dette området. Det står svært lite i lærebøker og standarder om dette temaet. Målsettingen med oppgaven var å få oversikt over eksisterende formelverk for å beregne hevarmsvirkninger i T-forbindelser utsatt for dynamisk belastning. Resultatene skulle sammenliknes mot analyser i Ansys Workbench. Om mulig skulle det også utarbeides et eget formelverk som skulle verifiseres mot Ansys Workbench. Det skulle også utarbeides en veileder som viste steg for steg hvordan en analyse av tilleggskrefter kan estimeres i Ansys Workbench. Det har blitt utført litteraturstudier av skruediagram, beregninger av hevarmskrefter og utmattings standarder for å få oversikt over hvilke effekter som påvirker skruen. For å teste ut teoriene har det vært satt opp modeller i Ansys. Disse har blitt prøvd opp imot teori både med hevarmseffekter og skruediagram. Studiene av skruediagrammer har ført til to hovedteorier. I beregning av de sammenklemte delene bruker den ene trykkonus, Shigly[2] og den andre bruker en sylinder, Waløen[1]. Det viser seg at teorien som bruker trykkonus sammenfaller best med Ansys resultatene. Denne er også en del mer komplisert å bruke. Mye tyder på at Ansys analysen er veldig konservativ, altså kan begge metodene falle konservativt ut i praksis. Mye tyder på dette, siden metoden med sylinder er mest brukt i Norge. Studiene av hevarmseffekter har ført til to formelverk som estimerer hevarmkrefter og den minste flenstykkelse disse formlene gjelder for. Formelverkene er veldig like i sin oppbygning, men det ene er mer konservativt en det andre. Det er bare det mest konservative formelverket som gir muligheter for utmattingsberegninger. Disse utmattingsberegningene er også lite nyanserte og gir bare resultatet som sier mindre enn 20 000 sykluser, mellom 20 000 og 500 000 og over 500 000 sykluser, skrueguiden[3]. Ut fra disse opplysningene er det konstruert en utmattingskurve for å kunne sammenligne med Ansys analyser. Disse sammenligningene sammenfaller ikke så godt. Flere faktorer en hevarmskreftene spiller inn når vi skal se på utmatting. Ved hevarmsvirkninger får vi også en bøyevirkning i skruen. Denne genererer ofte bøyespenninger som gir nærmest like stort utslag på spenningsvidden i mange tilfeller, som hevarmskraften alene. Av utmattingsstandarder har det blitt sett på DNV-RP-C203 [6] og NS-EN 1993-1-9 [5]. Litteraturen sier ikke hvilken utmattingskurve som egner seg når man har hevarmseffekter. DNV-RP-C203; W2 og NS-EN 1993-1-9; 40 blir brukt i denne rapporten. Disse kurvene er også nærmest identiske. Formlene for hevarmseffekter sier altså ikke noe om spenningsvidde. Det er nettopp spenningsvidden som benyttes i utmattingskurvene. Det er også laget et formelverk for å beregne levetiden i bolter ved utmattingspåkjente T-stykker som baserer seg på formelverkene som er gjennomgått i rapporten. Dette formelverket gir ut spenningsvidden, slik at den kan brukes sammen med utmattingsstandarden. Resultatet fra sammenligningen med Ansys, gir en kurve på konservativ side. Dette formelverket er veldig omfattende og komplisert, så det er forholdsvis lett å få en regnefeil underveis. Til slutt er det laget en veileder for å fastlegge spenningsvidden i Ansys. Modellen i denne veilederen er tegnet slik at alle mål kan endres enkelt inne i Ansys. Dette gir muligheter for å beregne modeller med andre mål, enn det modellen har i utgangspunktet.