Acoustic determination of pretensioned bolts

Student thesis: Master thesis (including HD thesis)

  • Anders Lybæk Knudsen
  • Michael Mortensen
4. term , Design of Mechanical Systems, Master (Master Programme)
Formålet med dette projekt er, at vurdere hvor vidt det er muligt at bestemme forspændingen i boltene
i en boltesamling. Projektet er foreslået af Brüel & Kjær, som en del af MAKUNET. Baggrunden for
problemstillingen er, at der ved fleksitering af to identiske bolte under forskellig forspænding, afgives et
hørbart forskelligt akustisk signal. Dette har antydet at det kunne være muligt at anvende akustiske
signaler til bestemmelse af forspænding, hvilket kan lette arbejdet i forbindelse med inspektioner af
boltede samlinger. I løbet af dette projekt er årsagen til denne forskel i den afgivne lyd undersøgt, og
det er søgt at afdække hvor vidt det kan gøres praktisk anvendeligt.
Projektet er indledt ved at lave en række initierende forsøg, for at fastlægge hvor vidt målbare forskelle
i responsen, af en 140mm M12 bolt ved forskellige forspændinger, kan opfanges. Forsøgs resultaterne
opsamles akustisk med en mikrofon samt mekanisk via accelerometre, til eksitering af boltene anvendes
en modal hammer med indbygget kraft transducer. Indledningsvist er der anvendt en opsætning med
flere bolte, men for at simplicere responset der analyseres er der i hoveddelen af projektet anvendt en
opstilling med blot en enkelt bolt. Ud fra forsøgene er det fundet, at resonans frekvenserne for strukturen
stiger i takt med at forspændingen øges, dette gør sig gældende for både stål og aluminiums strukturer.
I forbindelse med dette er også indflydelsen af spændskiver undersøgt, hvilket dog viste sig at være uden
betydning for responsen. Ligeledes er det undersøgt om dæmpning vil kunne anvendes som mål for
forspændingsgraden, hvilket dog kunne afvises.
Eftersom det er blevet konstateret at det er muligt, at se en ændring af resonans frekvenserne, når
forspænding øges, er mekanismen bag denne ændring blevet undersøgt. Da ændringen i frekvenser
er så stor, at den ikke kan forklares med ændringer i stivheden, er det i stedet undersøgt hvor vidt
ændringer i systemets randbetingelser, kan være årsagen til de observerede skift i resonans frekvenser.
For at undersøge dette, er der opstillet en FE model af bolten for to forskellige randbetingelser, simpelt
understøttet og fast indspændt, analysen af disse modeller viste, at den ændring der kunne observeres
mellem de to modellers egenfrekvenser, stemte godt over ens med de eksperimentielle resultater. For at
undersøge hvor vidt de fundne resultater også er gældende for andre størrelser af bolte, er både M18 og
M24 bolte undersøgt eksperimentielt, og samme tendenser som for M12 bolte kunne observeres.
En mere avanceret FE model opstilles for at se om forskellen mellem den simple FE og Test bliver
mindre og for at forklare resultaterne fra M18 og M24 forsøgene. Den avancerede model bliver løst både
for egenfrekvenser og for harmonisk respons. Resultaterne for egenfrekvenserne viser en mindre forskel
mellem FE og tests end den simple FE model. Det tyder på at der en svag kobling mellem bolten og
strukturen. Den harmoniske model viser at der er stor forskel på amplituden af bolten og amplituden
af målepunkterne på strukturen. Derudover er der stor forskel på amplituden af bolten og amplituden
af målepunkterne for de forskellige bolte og forskellige resonans frekvenser. Derfor konstrueres der en
analytisk model der skal forsøge at beskrive dette problem.
Den analytiske model bliver anvendt til at beskrive hvor meget energi der bliver overført fra bolten til
strukturen og hvor stor indflydelse dæmpning har på denne overførsel af energi. Den analytiske model
er udledt ud fra Hamilton's principle og Timoshenko bjælke teori. Modellen viser at dæmpningen har
meget lille indflydelse på responset målt på strukturen og at meget lidt af det indførte energi fra lasten
bliver overført til strukturen.
Ud fra resultaterne i projektet, har det vist sig at det bør være muligt, at anvende akustiske målinger til
at bestemme hvor vidt bolte i en samling er spændt tilstrækkeligt.
LanguageEnglish
Publication date3 Jun 2014
Number of pages137
External collaboratorBrüel & Kjær
Research Engineer, Ph.D. Dmitri Tcherniak Dmitri.Tcherniak@bksv.com
Client
ID: 198463052