دانلود مقاله ISI انگلیسی شماره 28860 + ترجمه فارسی
عنوان فارسی مقاله

رفتار سازه ای میل مهار فولادی رزوه دار مثلثی و ذوزنقه ای مقیاس بزرگ در مونتاژ با استفاده از تحلیل المان محدود

کد مقاله سال انتشار مقاله انگلیسی ترجمه فارسی
28860 2013 16 صفحه PDF 14 صفحه WORD
خرید مقاله
پس از پرداخت، فوراً می توانید مقاله را دانلود فرمایید.
عنوان انگلیسی
Structural behavior of large-scale triangular and trapezoidal threaded steel tie rods in assembly using finite element analysis
منبع

Publisher : Elsevier - Science Direct (الزویر - ساینس دایرکت)

Journal : Engineering Failure Analysis, Volume 34, December 2013, Pages 150–165

فهرست مطالب ترجمه فارسی
چکیده
کلید واژه ها
1-مقدمه
شکل 1- اتصال رزوه دار در میل مهار فولادی با مقیاس کامل
شکل 2-  میل مهار فولادی در تست کششی
جدول 1- خواص مکانیکی فولاد میله مهار
شکل 3- مدل مکانیکی اتصال رزوه دار در مونتاژ
شکل 4- مدل المان محدود دوبعدی اتصال رزوه دار در مونتاژ
2- تحلیل المان محدود اتصالات رزوه دار در مونتاژ
شکل 5- جابجایی محوری (برحسب متر) میله G75-00 تحت بار کششی اعمال شده مختلف
شکل 6- تنش فون مایزز (برحسب Pa) در میله LG75-00 تحت بار کششی مختلف
3- رفتار سازه ای میل فولادی LG75-00  با اتصال رزوه دار مثلثی
1-3 جابجایی محوری
شکل 7- دیدگاه دقیق تنش های فون مایزز (برحسب پاسکال) در مونتاژ LG75-00 در رزوه های درگیر
2-3 تنش فون مایزز
شکل 8- فشار برخورد (Pa) در مونتاژ میله LG75-00 تحت بار کششی مختلف
شکل 9- مقایسه فشار برخورد در میل مهار  LG75-00 تحت نیروهای کششی محوری مختلف
شکل 10- فاصله لغزش (به متر)  سطح برخورد دندانه رزوه درگیر در میل مهار LG75-00
شکل 11- مقایسه فاصله لغزش میل مهار LG75-00 تحت نیروی کششی محوری مختلف
شکل 12- جابجایی محوری (به متر) میله LG75-00 تحت بار کششی اعمالی مختلف
3-3 فشار برخورد
شکل 13- تنش فون مایزز (برحسب پاسکال) در میل lg 75-00 تحت بار کششی اعمال شده مختلف    
4-3 فاصله لغزش
4- رفتار سازه ای میله مهار فولادی LG100-00 با اتصال رزوه دار ذوزنقه ای
1-4 جابجایی محوری
شکل 14- نمای دقیق تنش های فون مایزز در مونتاژ میله LG100-00 در رزوه های درگیر
شکل 15- فشار برخورد (Pa) در مونتاژ میله LG100-00 تحت بار کشی مختلف
شکل 16- مقایسه فشار برخورد در میله LG100-00 تحت نیروی کششی محوری مختلف
2-4 تنش فون مایزز
شکل 17- فاصله لغزش (m) سطح برخورد دندانه رزوه درگیر در میل مهار LG100-00
شکل 18- مقایسه فاصله لغزش در LG100-00 تحت نیروی کشش محوری مختلف
3-4 فشار برخورد
4-4 فاصله لغزش
جدول 2- نتایج FEA اتصال رزوه دار مثلثی روی میل مهار فولادی LG75-00 تحت بار محوری مختلف
جدول 3- نتایج FEA اتصال رزوه دار ذوزنقه ای روی میل مهار فولادی LG100-00 تحت بار محوری مختلف
5- نتیجه گیری
کلمات کلیدی
میله مهار فولادی - اتصال به موضوع - رفتار سازه - تجزیه و تحلیل المان محدود
ترجمه چکیده
میل مهار فولادی پیش تنیده به عنوان اجزاء حامل بار در سازه هایی مانند پل های معلق، سیستم هدایت در وسایل نقلیه خودرویی، بال ها و بدنه هواپیماها، پره های چرخ و فلک و غیره کاربرد گسترده ای دارد. متغیرهای کنترل کننده برای مقاومت اتکایی میله مهار فولادی در مقیاس بزرگ (با قطر معمولا بیشتر از mm60) عبارتند از خواص مکانیکی میل مهار، شکل هندسی دندانه رزوه و تعداد پیچ های درگیر شونده رزوه. تعداد بهینه پیچ های اتصال رزوه دار میل مهار فولادی در مقیاس بزرگ با آزمایشات گسیختگی در مقیاس کامل پیش بینی و قبلا توسط مولفان گزارش شد. این مقاله بیشتر برمبنای این آثار گزارش شده است و رفتار سازه ای دو نوع اتصال رزوه دار میل مهار فولادی یعنی (1) اتصال رزوه دار مثلثی و (2) اتصال رزوه دار ذوزنقه ای را با استفاده از تحلیل المان محدود در ANSYS بررسی می کند. جابجایی محوری، توزیع تنش معادل، فشار برخورد میان رویه ای و فاصله لغزش روی دندانه رزوه درگیر تحت بارهای محوری مختلف ارائه و تحلیل شده است. شبیه سازی عددی نتایج آزمایشات گسیختگی کششی در مقیاس کامل را تائید و تفسیر می کند. مقایسه هم زمان میان مقادیر تجربی و آنالیز المان محدود، راهنمای کاری در اختیار قرار می دهد و از طراحی و تولید میل مهار فولادی در کاربردهای عملی پشتیبانی می کند.
ترجمه مقدمه
اتصالات رزوه دار میله مهار فولادی در مقیاس بزرگ (شکل 1)به دلیل بارگذاری برشی، کششی، خستگی و دینامیک در کاربردهای مهندسی عملی مستعد شکست هستند و به عنوان اجزاء سازه ای سازه ای پیش تنیده به کار می روند. استحکام اتکایی مونتاژ میل مهار با اسیلیو آن با استحکام مکانیکی بدنه میل مهار، شکل هندسی دندانه رزوه و تعداد پیچ های درگیری رزوه کنترل می شود [1]. به منظور انتخاب مناسب ترین نوع اتصال رزوه دار برای هر کاربرد مهندسی عملی، اطلاع از توزیع تنش، فشار برخورد میان رویه، مسافت لغزش، طول و تعداد پیچ های درگیر شده رزوه می تواند در اطمینان از ایمنی کلی سازه بسیار حیاتی باشد. تنش، تغییرشکل، خستگی و شکست در اتصالات رزوه دار برای مدت های طولانی مطالعه شده است و مزالب موجود از غنای نسبی برخوردار است. ساپویت [2] آنالیز تحلیلی دقیق تغیرشکل رزوه با استفاده از روش های نظریه کشسانی انجام داد [3]. پاترسون و کنی [4] مغایرت به دلیل فرم ناقص رزوه میان نظریه تحلیلی ساپویت و نتایج تجربی را بررسی و از آنالیز المان محدود (FEA) برای تعیین سختی متغیر رزوه ها استفاده کردند. نتایج این نظریه اصلاح شده با مقدار تجربی تنش رزوه با استفاده از روش فتو الاستیک انجمادی تنش هتنری [5] قبل از ساپ ویت [2] مقایسسه می شود. در دوران اخیر برنان و داور [6) فاکتورهای شدت تنش برای اتصالات رزوه دار را بااستفاده از نظریه تابع وزن حالت چند مرجعی برای هر مود 1 آغازشونده ترک از ریشه های رزوه را ارزیابی کردند. ویتنبرگ [7] در مورد عمر خستگی کوپلینگ لوله خط API استاندارد و دو ترکیب کوپلینگ اصلاح ده با مشخصات 5b [8] و 5l [9]گزارش دادند. کورین و ایپینا [10] عمر خستگی و رشد ترک در اتصال رزوه دار پیچ و مهره تحت بار کششی را بررسی کردند. در [11] تنش باقیمانده را با اعمال کنترل شده گشتاور سفت کردن در اتصالات کتفی چرخان و سپس بازگشت به گشتاور اسمی را با هدف افزایش مقاومت خستگی این اتصالات کتفی چرخان با تاخیر در جوانه زنی ترک خستگی را ارزیابی کردند. FEA اتصلات رزوه دار در گذشته توسط چند مولف انجام شد [15-12]. روش جدید FEA توسط آلکاتان [16] برای محاسبه سختی محوری مونتاژ رزوه دار با تقسیم آن به المان های آن شامل سر و طول درگیر پیچ، مهره و صفحات بسته شده معرفی شد و مطالعه تئوری با مدل تجری جدید اعتبار بخشیده شد. انگلوند و جانسون [17] FEA متقارن محوری دقیقی با درنظر گرفتن ماهیت استوانه ای بارها و هندسه حول خط مرکزی شانک انجام دادند. چن [18] از نظریه استوانه ضخیم و مکانیک الاستیک برای اجرای آنالیز المان محدود اتصالات رزوه دار هرمی P-110S [9] با تناسب وجه میانی و بار محوری برای بررسی توزیع بار دندانه روی سطوح رزوه دار اتصال استفاده کرد. رابچوک [20،19] روش مقیاس بندی چندگانه و ایزوژئومتری جدیتری با استفاده از ANSYS یا Sysweld برای شبیه سازی استاتیک عمومی در کاربردهای مهندسی مطابق [25-21] پیشنهاد اد. با استفاده از روش مقیاس بندی چندگانه، اندرو و لگر [26] مونتاژ رزوه دار را در موردی شامل FEA دقسق یک رزوه اجرا کردند، درحالی که نمونه جهانی آن به عنوان مسئله بیضوی تک بعدی برای مطالعات پارامتری مدلسازی شده بود. این مقاله رفتار سازه ای پیش بینی شده با FEA خطی برای تائید و تفسیر نتایج آزمایشات گسیختگی کششی در مقیاس کامل را گزارش می دهد (شکل 2) که توسط مولفان در دوان و جوشی [1] برای تعیین حداکثر بار کاری محوری تحت تعداد پیچ های مختلف درگیری رزوه برای دو نوع میل مهار یعنی (1) میله مهار فولادی LG7500 با اتصال رزوه دار مثلثی (20Cr) و (2) میل مهار فولادی LG100-00 با اتصال رزوه دار ذوزنقه ای (35CrMo) اجرا شد.
پیش نمایش مقاله
پیش نمایش مقاله رفتار سازه ای میل مهار فولادی رزوه دار مثلثی و ذوزنقه ای مقیاس بزرگ در مونتاژ با استفاده از تحلیل المان محدود

چکیده انگلیسی

Pre-stressed steel tie rods are used extensively as load carrying components in structures like suspension bridges, steering systems in automotive vehicles, wings and fuselage of aircrafts, spokes of Ferris wheels, etc. The governing variables for the bearing strength of a large-scale steel tie rod (of diameter usually larger than 60 mm) include the mechanical strength of the tie rod body, geometric configuration of the thread teeth and the number of turns of thread engagement. The optimal number of turns of threaded connections of large scale steel tie rods has been predicted by full scale rupture experiments and reported previously by the authors. This paper builds up further on that work and investigates the structural behavior of the two types of threaded connections of steel tie rods, viz. (i) the triangle threaded connection, and (ii) the trapezoidal threaded connection, using finite element analysis in ANSYS. The axial displacement, equivalent stress distribution, interfacial contact pressure and sliding distance on the engaged thread teeth under different axial loads are presented and analyzed. The numerical simulations verify and expound the results of full-scale tensile rupture experiments. The concordant comparison between experimental measurements and finite element analysis provides working guidelines and support for the design and fabrication of steel tie rods in practical operations.

مقدمه انگلیسی

Threaded connections of large scale steel tie rods (shown in Fig. 1) are susceptible to failure due to dynamic, fatigue, tensile and shear loading in practical engineering applications where they are used as pre-stressed structural components. The bearing strength of the tie rod assembly with its sleeve is controlled by the mechanical strength of the tie rod body, geometric configuration of the thread teeth and the number of turns of thread engagement [1]. In order to choose the most suitable type of threaded connection for any practical engineering application, knowledge of the stress distribution, interfacial contact pressure, sliding distance, length and the number of turns of thread engagement can be very crucial to ensure the overall structural safety.Stress, deformations, fatigue and failure in threaded connections have been studied for long and the existing literature is relatively rich. Sopwith [2] performed a detailed analytical analysis of thread deformations using methods of theory of elasticity [3]. Patterson and Kenny [4] investigated a discrepancy due to incomplete thread forms between Sopwith’s analytical theory and experimental results and used finite element analysis (FEA) to determine the varying stiffness of the threads. The results of this modified theory compare well with the experimental determination of thread stress using the stress freezing photo-elastic method of Hetenyi [5] before Sopwith [2]. In recent times, Brennan and Dover [6] evaluated stress intensity factors for threaded connections using multiple reference state weight function theory for any mode I crack initiating from thread roots. Wittenberghe et al. [7] reported on the fatigue life of the standard API Line Pipe coupling and two modified coupling configurations of specifications 5B [8] and 5L [9]. Korin and Ipiña [10] evaluated the fatigue life and crack growth in a bolt–nut threaded connection under tensile load. In [11], they evaluated residual stresses introduced through controlled application of an over-make-up torque in rotary shouldered connections and then returning to the nominal torque, with the aim of increasing the fatigue strength of such shouldered connections by delaying fatigue crack nucleation. FEA of threaded connections has been performed in the past by several researchers [12], [13], [14] and [15]. A novel FEA approach was presented by Alkatan et al. [16] for calculating the axial stiffness of a threaded assembly by partitioning it into its elements including the head and the engaged length of the bolt, the nut and the fastened plates and they validated the theoretical study by new experimental model. Englund and Johnson [17] performed a detailed axisymmetric FEA taking into consideration the cylindrical nature of the loads and geometry around the shank centerline. Chen et al. [18] used the thick cylinder theory and elastic mechanics to conduct FEA of P-110S [9] conic threaded connections with interference fit and axial load to investigate the tooth load distributions on contact threaded surfaces. Rabczuk et al. [19] and [20] suggested newer multiple scaling and isogeometric methods to help reduce computation costs which occur invariably in numerical simulations using conventional FEA techniques, say using ANSYS or Sysweld for generic static simulation in mechanical applications as in [21], [22], [23], [24] and [25]. Using the multiple scaling method, Andrieux and Leger [26] implemented the threaded assembly into a local problem involving only the detailed FEA of one thread, whereas the global one was modeled as a uni-dimensional elliptic problem for parametric studies. This paper reports the structural behavior predicted by linear FEA to verify and expound the results of full-scale tensile rupture experiments (Fig. 2) carried out by the authors in Duan and Joshi [1] for determining the maximum axial working load under different numbers of turns of thread engagement for two types of steel tie rods, viz. (i) LG75-00 steel tie rods with triangle threaded connection (20Cr), and (ii) LG100-00 steel tie rods with trapezoidal threaded connection (35CrMo). Several samples of these two categories of steel tie rods were supplied by China Juli Corporation, Baoding City to carry out the destructive rupture tests.

نتیجه گیری انگلیسی

The structural behavior of two types of steel tie rods (viz. LG75-00 steel tie rods with triangle threaded connection and LG100-00 steel tie rods with trapezoidal threaded connection) provided by China Juli Corporation and studied previously by Duan and Joshi in [1] was investigated by FEA using ANSYS with 8 engaged turns. Table 2 and Table 3 show a synopsis of the FEA structural responses of the triangle threaded connection on LG75-00 steel tie rods and the trapezoidal threaded connection on LG100-00 steel tie rods respectively under different axial loadings. Based on these experimental and theoretical studies, the following overall conclusions and recommendations can be suggested on the structural behavior of the two types of steel tie rods: (i) Steel tie rods with triangle threaded connection and trapezoidal threaded connection show similar structural behavior. (ii) The axial displacement of the tie rod body is larger than that of the threaded connection. With increasing axial loading, the region of maximum displacement gradually shrinks and moves along the direction of the outer diameter. (iii) The maximum von Mises stress in the threaded connection occurs at the roots of engaged teeth. When the applied tensile force reaches the yield limit of the tie rod material, a larger area yield occurs at the middle part of the tie rod body with unengaged threads, which predicts the breaking position consistent with the full-scale rupture tests [1]. (iv) The position of maximum contact pressure is located between the pitch diameter and the minor diameter of the external thread, which predicts the sheared diameter consistent with the full-scale rupture tests [1]. The contact pressures on the first three engaged thread teeth are larger and can be more than half of the total contact pressure on all the engaged threads. (v) The point of maximum sliding distance corresponds to the point of maximum contact pressure. The sliding distance decreases from the first engaged turn to the last engaged turn under the same axial loading.

خرید مقاله
پس از پرداخت، فوراً می توانید مقاله را دانلود فرمایید.