A Software for Optimum Design of Laterally Loaded Bolted Joints

Year 2024, Volume: 12 Issue: 1, 366 - 377, 25.03.2024

Kadir Sarı , Hakan Dilipak

https://doi.org/10.29109/gujsc.1385010

Abstract

Bolted joints, which are one of the detachable joining methods, are used extensively. The reliability of bolted joints is extremely important for the strength and life of the system. The determination of the number of bolts to be used in a system, the position and other data of the bolt requires very serious design and engineering studies. In this study, the design and optimization of bolted joints subjected to lateral forces are performed. For this purpose, a software has been developed in C# programming language. The software visually guides the user and asks a minimum number of questions to the designer and all other parameters are calculated by the program. The visual design of the program was done in Visual Studio environment. The graphic designs used in the software help the user to enter correct data. When the program is run for bolted joint under lateral loading, the user only enters the number of plates and force as input. Although the program performs its calculations between 1.5-2 factor of safety, it is possible to change it according to the characteristics of the design. The program developed in the light of these inputs calculates the appropriate bolt diameter, number, material and dimensions of the plates for the designed joint according to the optimum design options. The design options determined by the program are also presented to the designer visually. With the developed software, the user workload is minimized by determining the optimum options of bolted joints according to the minimum amount of user input. This resulted in significant savings in the time spent in design and engineering calculations. The user-friendly interface provides an easy and visual use. The results obtained by the program were also solved manually to check the reliability of the program.

Keywords

bolted joint, design and optimization, analysis, lateral load, c#

Yanal Yüklemeli Cıvatalı Bağlantıların Optimum Tasarımı için Bir Yazılım

Abstract

Sökülebilen birleştirme yöntemlerinden olan cıvatalı bağlantılar çok yoğun bir şekilde kullanılmaktadır. Cıvatalı bağlantıların güvenirliği, sistemin dayanımı ve ömrü açısından son derece önemlidir. Bir sistemde kullanılacak cıvata sayısı, konumu ve cıvataya ait diğer verilerin belirlenmesi çok ciddi tasarım ve mühendislik çalışmalarını gerektirmektedir. Bu çalışmada, yanal kuvvete maruz kalan cıvatalı birleştirmelerin, tasarımı ve optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla C# programlama dilinde bir yazılım geliştirilmiştir. Yazılım görsel olarak kullanıcıyı yönlendirmekle birlikte tasarımcıya minimum miktarda soru sormakta ve diğer bütün parametreler program tarafından hesaplanmaktadır. Programın görsel tasarımı Visual Studio ortamında yapılmıştır. Gerçekleştirilen yazılımda kullanılan grafik tasarımlar kullanıcının doğru veriler girmesine yardımcı olmaktadır. Yanal yükleme altında cıvatalı birleştirme yapılması amacıyla program çalıştırıldığında, kullanıcı, sadece plaka sayısını ve kuvveti girdi olarak programa yazmaktadır. Program 1,5-2 emniyet katsayısı arasında hesaplamalarını yapmasına rağmen bunu yine tasarımın özelliğine göre değiştirebilme imkânı sunulmuştur. Bu girdiler ışığında geliştirilen program tasarlanan birleştirme için, uygun cıvata çapı, sayısı, malzemesi ve plakaların ebatlarını optimum tasarım seçeneklerine göre hesaplamaktadır. Program tarafından belirlenen tasarım seçenekleri yine tasarımcıya görsel olarak sunulmaktadır. Geliştirilen yazılım ile minimum miktarda kullanıcı girdisine göre cıvatalı bağlantıların optimum seçenekleri belirlenerek kullanıcı iş yükü en aza indirilmiştir. Bu sonuç tasarımda ve mühendislik hesaplamalarda harcanan zamanda çok ciddi tasarruf sağlamıştır. Kullanıcı dostu arayüz kolay ve görsel bir kullanım sağlamıştır. Program tarafından elde edilen sonuçlar manuel olarak da çözdürülerek programın güvenirliği kontrol edilmiştir.

Keywords

cıvatalı bağlantı, tasarım ve optimizasyon, analiz, yanal yük, c#

References

• [1] Chen Y., Qiang G., Zhenqun G., Self-Loosening Failure Analysis of Bolt Joints under Vibration considering the Tightening Process, Shock and Vibration, 2017, Article ID 2038421, 2017.
• [2] Rao S. S., Engineering optimization: theory and practice, John Wiley & Sons, New York, ABD, 2019.
• [3] Nakagome M., Suzukı I., Yasuda K., Mızuno M., On the compliance and the load factor of bolted connections subjected to eccentric loading, JSME international journal. Ser. 1, Solid mechanics, strength of materials, 32(1), 61-66, 1989.
• [4] Padhi G. S., McCarthy M. A., McCarthy C. T., BOLJAT: a tool for designing composite bolted joints using three-dimensional finite element analysis, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 33(11), 1573-1584, 2002.
• [5] Özkan M. T., Civatalı bağlantılarda birleştirilen elemanların direngenliğinin sonlu elemanlar yöntemi ve yapay sinir ağları sistemi ile belirlenmesi ve civata tasarımı, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2003.
• [6] Bogis H. A., Abou Ezz A., Aljinaidi A. A., Akyurt M., Computer-Aided Design of Riveted and Bolted Joints Under Compound Loading, The KFA XVII of Computer, Medina-Saudi Arabia, 309-321, 5-6 Nisan, 2004.
• [7] Gray P. J., McCarthy C. T., A global bolted joint model for finite element analysis of load distributions in multi-bolt composite joints, Composites Part B: Engineering, 41(4), 317-325, 2010.
• [8] Küçükaltay G. D., Cıvata-Somun Bağlantılı Elemanlarda Delikler Arası Mesafenin ve Delik Çapının Çekme Mukavemetine Etkisi, Yüksek Lisans Tezi, Başkent Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 2010.
• [9] Zhang B., Brown D., Pierre J. S., Tao X., Williams I., Whitehead G., Pillutla R., Multi-Objectives Optimization of Fastener Location in a Bolted Joint, SAE 2013 World Congress & Exhibition, Michigan-United States, (No. 2013-01-0966), 16-18 Nisan, 2013.
• [10] Sanlı T. V., Development of artificial neural network based design tool for aircraft engine bolted flange connection subject to combined axial and moment load, Yüksek Lisans Tezi, Middle East Technical University, Department of Aerospace Engineering, Ankara, 2018.
• [11] Özuğurlu D. C., Yapay sinir ağları yardımıyla titreşim altındaki cıvataların gevşeme tahmini, Yüksek Lisans Tezi, Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, 2019.
• [12] Turgaç A. T., İçten yanmalı motorlarda biyel kolu cıvatalarının hesabına ve tasarımına yönelik yazılım geliştirme, Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2020.
• [13] Topkaya, T., Cıvata ile Birleştirilmiş Sandviç Kompozitlerin Bağlantı Mukavemetinin Karbon Fiber Takviye Kullanılarak Arttırılması, Gazi University Journal of Science Part C: Design and Technology, 8 (4), 996-1004, 2020, DOI: 10.29109/gujsc.804147.
• [14] Rakotondrainibe L., Desai J., Orval P., Allaire G., Coupled topology optimization of structure and connections for bolted mechanical systems, European Journal of Mechanics-A/Solids, 93, 104499, 2022.
• [15] Jiang K., Liang Y., Zhao O., Machine-learning-based design of high strength steel bolted connections, Thin-Walled Structures, 179, 109575, 2022.
• [16] Sevinç S., Taşkın M., Numerical Analysis of Single Lap Pretension Bolted Joint, International Journal of Engineering and Applied Sciences, 14 (3), 77-90, 2023.
• [17] Sarı K., Kayır Y., Dilipak H., An Expert System for Bolt Selection, Bilişim Teknolojileri Dergisi, 16 (2), 83-94, 2023.
• [18] Bickford J. H., An introduction to the design and behavior of bolted joints, Revised and expanded (Üçüncü Baskı), CRC Press, New York, ABD, 857-861, 2018.
• [19] Li G., Lyu Y., Wang Y., State-of-the-art on resistance of bearing-type bolted connections in high strength steel. Frontiers of Structural and Civil Engineering, 14, 569-585, 2020.
• [20] Türk Standartları Enstitüsü, TS648: Çelik Yapıların Hesap ve Tasarım Kuralları, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, Türkiye, 43, 1980.
• [21] Öztekin E. Ö., Investigation of Reliabilities of Bolt Distances for Bolted Structural Steel Connections by Monte Carlo Simulation Method, Pamukkale University Journal of Engineering Sciences, 21 (6), 213-223, 2016.
• [22] ISO. ISO 898-1: Mechanical properties of fasteners made of carbon steel and alloy steel, https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:898:-1:ed-5:v1:en. Erişim Tarihi: Ağustos 17, 2023.