During the long-time service of a bolt, its preload may suffer slight perturbations or significant reductions. It is a dilemma to monitor preload changes at high resolution and full scale. Approaches for bolt preload monitoring with multi-resolution should be developed. In this paper, a simple and effective multi-resolution bolt preload monitoring approach using ultrasonic guided waves (UGW) is proposed. A linear relationship between the time-of-flight (TOF) variation of multi-reflected waves and preload is derived to theoretically reveal the multi-resolution properties of UGW. The variations of TOF before and after the slight preload perturbations are extracted by using a global evaluation method. Experimental results show that the signal-to-noise ratio (SNR) of the 1st, 2nd, and 3rd-reflected UGWs is larger than 20 dB. The resolution of the 2nd-reflected UGW is higher than that of the 1st-reflected UGW and lower than that of the 3rd-reflected UGW. The ultimate detectable resolutions of bolt preload (DRBP) of the 1st and 3th-reflected UGWs are 0.9% and 0.5%, respectively. By using the 1st and 3th-reflected guided waves, the bolt looseness with different degrees can be monitored simultaneously.
Preload of critical engine bolts affects the performance and durability of engines. In modern engines that pursue higher power outputs and which are of lighter weight, it becomes more difficult to select an optimal target preload in consideration of various factors such as the role and structural characteristics of joint members, joint load, and fatigue durability of bolts and joint members. A procedure to select the bolt preload using computer-aided engineering technology, especially the finite element method, has been developed. The procedure is illustrated with connecting-rod bolts for which an appropriate preload is known. The selection criteria of target preload and the finite element modeling technique for connecting-rod bolts are also explained.
This paper presents results of the effect of different bolt tightening sequences and methods on the performance of gasketed bolted flange joint using nonlinear finite element analysis. Bolt preload scatter due to elastic interactions, flange stress variation and bolt bending due to flange rotation and gasket contact stress variation is difficult to eliminate in torque control method i.e. tightening one bolt at a time. Although stretch control method (tightening more than one bolt at time) eradicates the bolt preload scatter, flange stress variation is relatively high. Flange joint's performance is compared to establish relative merits and demerits of both the methods and different bolt tightening sequences.
Plastic region tightening is widely used in critical bolted joints in internal combustion engines in order to reduce the engine weight by maximizing the use of load-carrying capacity of bolt. Mechanical behavior of bolt tightened in plastic region under external axial tensile load is investigated for various friction conditions using three dimensional finite element analysis. The behavior of bolt tightened in elastic region as well as that in tensile test are investigated for comparison. Tightening process is simulated by rotating the bolt in order to examine the friction effect realistically. It is revealed that the bolt tightened in plastic region can carry more external load until the joint is opened, and yields at lower bolt load than the bolt tightened in elastic region. The friction coefficient has effect on the yield load, but not on the load-carrying capacity. Moreover, the scatter in the bolt preload due to friction begins with plastic deformation of bolt in the angle tightening control, whereas it begins with the onset of tightening in the torque tightening control. The observations are interpreted with the residual torsional stress in the bolt generated during the tightening.
To enhance the corrosion resistance of a bolt by surface treatment, dacrotization was considered as a substitute for phosphate coating which is widely used for general applications. In this study, comparisons were made among 5 different kinds of surface treatments including dacrotization and phosphate coating with respect to corrosion resistance, adhesion property with painting, and preload when tightened. The result shows that the dacrotized and surface-stabilized bolt is much superior in every aspects studied herein to others. An excellent corrosion resistance and a fairly good adhesion property with painting were achieved in the dacrotized and surface-stabilized bolt. When tightened at the same torque, the amount of preload and its deviation of dacrotized and surface-stabilized bolt were comparable with those of phosphate coated bolt.
Most of mechanical structures are combined of substructures such as beam and/or plates. There are few system with unibody structures but are not a few systems with united body structures. Generally the dynamic analysis of whole structures is perform ed under alternating load. However, the analysis of each joint area is more important than others for zero severity. This paper presents the results of analysis of concentration stress in bolt jointed structure with variable preload. At frist, a static vibration test was performed to find out a nominal stress of bolt joint ed plates from the relationship between natural frequency and nominal stress. Then a concentration stress was computed at contact point between bolt and plate in the structure. It is believed that the proposed method has promising implications for safer design with fatigue quality index of stress concentration factor and has merit for cost down and saving time at the beginning of vehicle development.
The use of the ordinary double nut (i.e., ODN) composed of a master nut (i.e., M-nut) and a slave nut (i.e., S-nut) is a highly efficient method to prevent bolts loosening. A novel double nut (i.e., FODN) composed of a master nut (i.e., M-nut) and flat slave nut (i.e., FS-nut) is proposed to save raw materials. The bolt fastening tests with single nut, ODN and FODN are performed to investigate the preload and counterbalance forces. Corresponding finite element analysis (FEA) models are established and validated by comparing the preload with the experimental results. The load-bearing capacity, the extrusion effect, and the contact stress of each engaged thread for ODN and FODN are observed by FEA. The experimental and simulated results revealed that the bolt fastening with double-nut has different load-transferring mechanisms from single-nut. Nevertheless, for double-nut/bolt assemblies, the FS-nut can provide load transfer that is like that of the S-nut, and the FODN is a reasonable and reliable fastening method. Furthermore, based on the theory of Yamamoto, a formula considering the extrusion effect is proposed to calculate the preload distribution of the double-nut, which is applicable to varying thicknesses of slave-nuts in double-nut/bolt assemblies.
Fatigue fracture of engine connecting-rod bolts is encountered frequently during the developement of high-speed engines. Only the engine dyno test is a currently reliable fatigue durability assessment method. It is because the available rig tests cannot mimic the engine running condition completely, and because the finite element analysis cannot provide realistic stresses near the bolt thread that is modeled as a cylinder. This paper introduces a methodology to assess the fatigue durability of the connecting-rod bolts using the finite element analysis. The methods to contruct the bolt model, to extract the critical bolt stresses for the fatigue analysis, and to obtain the bolt fatigue endurance limit experimentally are discussed. Reliability of the method is verified indirectly.
A detailed study was carried out on the tensile properties of the single-lap joint of a steel panel bolted/bonded to a composite laminate with a flanging. Finite element model (FEM) was established to predict the strength and to analyze the damage propagation of the hybrid joints by ABAQUS/Standard, which especially adopted cohesive elements to simulate the interface between the laminate and adhesive. The strength and failure mode predicted by FEM were in good agreement with the experimental results. In addition, three influence factors including adhesive thickness, bolt preload and bolt-hole clearance were studied. The results show that the three parameters have effect on the first drop load of the load-displacement curve, but the effect of bolt-hole clearance is the largest. The bolt-hole clearance should be avoided for hybrid joints.
In this paper, performance of EMI interface and multi-channel wireless impedance sensor node is evaluated for SHM on bolted connection. To achieve the objective, following approaches are implemented. Firstly, an interface washer is designed to monitor loosened bolt through the variation in EMI of interface washer due to change in preload in bolt. Secondly, a multi-channel wireless impedance sensor node based on Imote2 platform is designed for automated and cost-efficient impedance-based SHM on bolted connections. Finally, performance of the multi-channel wireless impedance sensor node and the interface washer are experimentally validated for a lab-scale bolted connection model. A damage monitoring method using RMSD index of EMI signatures is utilized to examine the strength of each individual bolted connection.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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