Acoustic determination of pretensioned bolts
Authors
Knudsen, Anders Lybæk ; Mortensen, Michael
Term
4. term
Education
Publication year
2014
Submitted on
2014-06-03
Pages
137
Abstract
Målet med projektet er at vurdere, om boltens forspænding (hvor hårdt den er spændt) kan bestemmes ved hjælp af lyd og vibrationer. Baggrunden er, at to identiske bolte med forskellig forspænding afgiver tydeligt forskellig lyd, når de sættes i svingninger. Projektet er foreslået af Brüel & Kjær som led i MAKUNET. Indledende forsøg på en 140 mm M12-bolt undersøgte, om målbare forskelle ved forskellige forspændinger kan opfanges. Responsen blev målt akustisk med mikrofon og mekanisk med accelerometre, og boltene blev exciteret med en modal hammer med indbygget krafttransducer. Efter en opstilling med flere bolte blev hoveddelen af målingerne udført på en enkelt bolt for at gøre responsen lettere at tolke. Forsøgene viser, at strukturens resonansfrekvenser stiger, når forspændingen øges, både i stål- og aluminiumsopstillinger. Spændskivers indflydelse på responsen var ubetydelig, og dæmpning kunne ikke bruges som mål for forspændingsgraden. De observerede frekvensskift var for store til at skyldes ændret stivhed alene, så ændrede randbetingelser blev undersøgt som forklaring. En simpel FE-model (finite element) af bolten med to randbetingelser—simpelt understøttet og fast indspændt—gav egenfrekvensforskelle, der stemte godt med målingerne. Samme tendenser blev observeret for større bolte (M18 og M24). En mere avanceret FE-model, løst for både egenfrekvenser og harmonisk respons, reducerede afvigelsen til testdata og pegede på en svag kobling mellem bolt og struktur. Harmoniske analyser viste store forskelle mellem amplituden af boltens vibrationer og amplituder målt på strukturen, som varierede med boltstørrelse og resonansfrekvens. For at forklare dette blev der udviklet en analytisk model baseret på Hamiltons princip og Timoshenko-bjælke-teori til at beskrive energi-overførsel fra bolt til struktur og dæmpningens betydning. Modellen viser, at dæmpning har meget lille indflydelse på den målte strukturs respons, og at kun en lille del af den indførte energi overføres til strukturen. Samlet set indikerer resultaterne, at akustiske målinger kan bruges til at vurdere, om bolte i en samling er spændt tilstrækkeligt, hvilket kan lette inspektion af boltede samlinger.
This project assesses whether a bolt’s preload (how tightly it is tightened) can be determined from sound and vibration. The motivation is that two identical bolts with different preloads emit clearly different sounds when excited. The project was proposed by Brüel & Kjær as part of MAKUNET. Initial experiments on a 140 mm M12 bolt examined whether measurable differences at different preloads can be detected. Responses were captured acoustically with a microphone and mechanically with accelerometers, and the bolts were excited using a modal hammer with an integrated force transducer. After starting with multiple bolts, most measurements were performed on a single bolt to simplify interpretation. The tests show that the structure’s resonance (natural) frequencies increase as preload rises, in both steel and aluminum setups. Washers had a negligible effect on the response, and damping could not serve as an indicator of preload. The observed frequency shifts were too large to be explained by stiffness changes alone, so changes in boundary conditions were investigated. A simple finite element (FE) model of the bolt with two boundary conditions—simply supported and clamped—produced eigenfrequency differences that matched the measurements. The same trends were observed for larger bolts (M18 and M24). A more advanced FE model, solved for both eigenfrequencies and harmonic response, reduced the mismatch with test data and indicated a weak coupling between the bolt and the structure. Harmonic analysis showed large differences between the bolt’s vibration amplitudes and those measured on the structure, varying with bolt size and resonance frequency. To explain this, an analytical model based on Hamilton’s principle and Timoshenko beam theory was developed to describe energy transfer from the bolt to the structure and the influence of damping. The model shows that damping has very little effect on the measured structural response, and that only a small portion of the input energy is transferred to the structure. Overall, the results indicate that acoustic measurements can be used to assess whether bolts in a joint are tightened sufficiently, which could make inspection of bolted joints easier.
[This abstract was generated with the help of AI]
Documents