Bolted joints are essential elements of mechanical structures and metal constructions. Although their static behaviour is fairly well known, their dynamic behaviour due to shocks and vibrations has been less studied, because of the large size of the finite element models needed for a detailed simulation. This work presents four different simplified models suitable for studying the dynamic behaviour of an elementary bolted joint. Three of them include contact elements to allow sliding of the screw head and the nut on the assembled parts, and the last one allows rotation between screw and nut. A penalty approach based on the Coulomb friction model is used to model contact. The results show that these models effectively represent the dynamic behaviour, with different accuracy depending on the model details. The last model simulates the self loosening of a bolt subjected to transversal vibrations.
In this paper, the electromagnetic damper (EMD), which is composed of a permanent-magnet rotary DC motor, a ball screw and a nut, is considered to be analyzed as a semi-active damper. The main objective pursued in the paper is to study the two degrees of freedom (DOF) model of the semi-active electromagnetic suspension system (SAEMSS) performance and energy regeneration controlled by on-off and continuous damping control strategies. The nonlinear equations of the SAEMSS must therefore be extracted. The effects of the EMD characteristics on ride comfort, handling performance and road holding for the passive electromagnetic suspension system (PEMSS) are first analyzed and damping control strategies effects on the SAEMSS performance and energy regeneration are investigated next. The results obtained from the simulation show that the SAEMSS provides better performance and more energy regeneration than the PEMSS. Moreover, the results reveal that the on-off hybrid control strategy leads to better performance in comparison with the continuous skyhook control strategy, however, the energy regeneration of the continuous skyhook control strategy is more than that of the on-off hybrid control strategy (except for on-off skyhook control strategy).
This article presents a numerical tool for dimensioning two-threaded fasteners connecting prismatic parts subjected to fatigue tension loads that are coplanar with the screw axis. A simplified numerical model is developed from unidirectional finite elements, modeling the connected parts and screws with bent elements and the elastic contact layer between the parts with springs. An algorithm updating the contact stiffness matrix, calculating forces and displacements at each node of the structure and thus normal stresses in the screws in both static and fatigue is further developed using C language. An experimental study is also conducted in parallel with the numerical approach to validate the developed model assumptions, the numerical model and the 3D finite element results. Since stiffness values for the compressive zones in the parts are analytically difficult to determine, a statistical software method is used, from which a tuning factor is derived for identifying these stiffness values. The method is also applied to set out the influence of each parameter on the fatigue behaviour of each screw. Finally, the developed model will be used to establish a new, sophisticated, fast and accurate tool for dimensioning bolted mechanical structures.
This paper presents experimental and numerical studies on the seismic responses of the steel cabinet facility considering the nonlinear behavior of connections and site-response effects. Three finite element (FE) models with differences of type and number of connections between steel plates and frame members have been developed to demonstrate adequately dynamic responses of structures. The screw connections with the bilinear force-deformation relationship are proposed to represent the inelastic behavior of the cabinet. The experiment is carried out to provide a verification with improved FE models. It shows that the natural frequencies of the cabinet are sensitive to the plate and frame connectors. The screw connections reduce the free vibration compared to the weld one, with decreased values of 2.82% and 4.87% corresponding to front-to-back and side-to-side directions. Additionally, the seismic responses are investigated for various geological configurations. Input time histories are generated so that their response spectrums are compatible with a required response spectrum via the time-domain spectral matching. The results indicate that both site effects and nonlinear behavior of connections affect greatly on the seismic response of structures.
Wang, Xuanding;Liu, Jiepeng;Wang, Xian-Tie;Cheng, Guozhong;Ding, Yan
Steel and Composite Structures
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v.44
no.3
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pp.423-436
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2022
This paper proposes an innovative thin-walled square concrete filled steel tubular (CFST) column with an octagonal/circular lining steel tube, in which the outer steel tube and the inner liner are fabricated independently of each other and connected by slot-weld or self-tapping screw connections. Twelve thin-walled square CFST columns were tested under quasi-static loading, considering the parameters of liner type, connection type between the square tube and liner, yield strength of steel tube, and the axial load ratio. The seismic performance of the thin-walled square CFST columns is effectively improved by the octagonal and circular liners, and all the liner-stiffened specimens showed an excellent ductile behavior with the ultimate draft ratios being much larger than 1/50 and the ductility coefficients being generally higher than 4.0. The energy dissipation abilities of the specimens with circular liners and self-tapping screw connections were superior to those with octagonal liner and slot-weld connections. Based on the test results, both the finite element (FE) and simplified theoretical models were established, considering the post-buckling strength of the thin-walled square steel tube and the confinement effect of the liners, and the proposed models well predicted the hysteretic behavior of the liner-stiffened specimens.
Roy, Krishanu;Ting, Tina Chui Huon;Lau, Hieng Ho;Lim, James B.P.
Steel and Composite Structures
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v.28
no.2
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pp.233-250
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2018
Back-to-back built-up cold-formed steel un-lipped channel sections are used in cold-formed steel structures; such as trusses, wall frames and portal frames. In such built-up columns, intermediate fasteners resist the buckling of individual channel-sections. No experimental tests or finite element analyses have been reported in the literature for back-to-back built-up cold-formed steel un-lipped channel sections and specially investigated the effect of screw spacing on axial strength of such columns. The issue is addressed in this paper. The results of 95 finite element analyses are presented covering stub to slender columns. The finite element model is validated against the experimental tests recently conducted by authors for back-to-back built-up cold-formed steel lipped channel sections. The verified finite element model is then used for the purposes of a parametric study to investigate the effect of screw spacing on axial strength of back-to-back built-up cold-formed steel un-lipped channel sections. Results are compared against the built-up lipped channel sections and it is shown that the axial strength of un-lipped built-up sections are 31% lesser on average than the built-up lipped channel sections. It was also found that the American Iron and Steel Institute (AISI) and the Australian and New Zealand Standards were over-conservative by around 15% for built-up columns failed through overall buckling, however AISI and AS/NZS were un-conservative by around 8% for built-up columns mainly failed by local buckling.
In steel-concrete composite beams, to improve the cracking resistance of the concrete slab in the hogging moment region, a new type of connector in the interface, named uplift-restricted and slip-permitted screw-type (URSP-S) connector has been proposed. This paper focuses on the behavior of steel-concrete composite beams with URSP-S connectors. A total of three beam specimens including a simply supported beam with URSP-S connectors and two continuous composite beams with different connectors arrangements were designed and tested. More specifically, one continuous composite beam was equipped with URSP-S connectors in negative moment region and traditional shear studs in other regions. For comparison, the other one was designed with only traditional shear studs. The failure modes, crack evolution process, ultimate capacities, strain responses at different locations as well as the interface slip of the three tested specimens were measured and evaluated in-depth. Based on the experimental study, the research findings indicate that the larger slip deformation is allowed while using URSP-S connectors. Meanwhile, the tensile stress reduces and the cracking resistance of the concrete slab improves accordingly. In addition, the overall stiffness and strength of the composite beam become slightly lower than those of the composite beam using traditional shear studs. Moreover, the arrangement suggestion of URSP-S connectors in the composite beam is discussed in this paper for its practical design and application.
A dynamic load protocol has been used to experimentally simulate fatigue behavior in cold-formed metal panels with screwed connections under wind loading. The specific protocol adopted is an adaptation of SIDGERS, originally developed for non-metallic membranes, which is composed of levels each under increasing load values. A total of 19 tests were performed on 3.35 m long by 0.91 m wide panels, identified as Type B-wide rib and Type E, both with screw connections at the edge and at the center, thus conforming two-span specimens. In some configurations the panels were fixed at the valleys, whereas crest-fixed connections were also investigated. Reinforcing the connections by means of washers was also investigated to evaluate their efficiency in improving fatigue capacity. The experimental results show maximum load capacities in improved connections with washers of approximately twice of those with classical connections.
This paper deals with a uniform cantilever Euler-Bernoulli beam subjected to follower and transversal force at its free end as a model for a pipe conveying fluid under electromagnetic damper force. The electromagnetic damper is composed of a permanent-magnet DC motor, a ball screw and a nut. The main objective of the current work is to reduce the pipe vibration resulting from the fluid velocity and allow it to transform into electric energy. To pursue this goal, the stability and vibration of the beam model was studied using Ritz and Newmark methods. It was observed that increasing the fluid velocity results in a decrease in the motion of the free end of the pipe. The results of simulation showed that the designed semiactive electromagnetic damper controlled by on-off damping control strategy decreased the vibration amplitude of the pipe about 5.9% and regenerated energy nearly 1.9 (mJ/s). It was also revealed that the designed semi-active electromagnetic damper has better performance and more energy regeneration than the passive electromagnetic damper.
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2000.04a
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pp.146-150
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2000
In order to prevent the defects, the optimum design of the production part, strip process layout, die design, die making and try out etc. are necessary the analysis of effective factors. For example, theory and practice of metal shearing process and it's phenomena, die structure, machine tool working for die making, die materials and it's heat treatment, metal working in field, their know how etc. are included in those factors. In this study, we analyzed whole of data base, theoretical back ground of metal working process, and then performed the progressive die tryout with the screw press. Part2 of this study reveals with ultra precision progressive die design, its making and tryout.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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