Sızdırmazlık elemanı içermeyen metal flanşların sonlu elemanlar metodu ile parametrik tasarımı ve optimizasyonu
A parametric design and optimization of metal flanges without seal by using finite element method
Yazar: UĞUR OKCU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ÜMİT ER
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Cıvatalı bağlantıların doğru tasarlanması ve tasarlanan flanşlara uygun anma çapında cıvata seçilmesi havacılık, otomotiv ve savunma sanayii başta olmak üzere birçok sektörde büyük önem taşımaktadır. Uygun cıvata seçimi, tasarımı hafifleterek gereksiz sayıda cıvata kullanımının da önüne geçilmesini sağlayabilmektedir. Bu sayede işleme süreleri ve malzeme kullanımı azaltılabilmektedir.
     
     Bu çalışma kapsamında cıvata anma çapının, flanş davranışı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Aynı geometrik ölçülere sahip iki flaş geometrisi imal edilmiştir. Bu flanşlar arasındaki tek fark bağlantıda kullanılan cıvataların anma çapıdır. Bu geometriler üzerinde çekme testleri gerçekleştirilmiş ve gerinim ölçerler yardımıyla cıvata ve flanş üzerindeki gerinim değerleri ölçülmüştür. Test numunelerinin sonlu elemanlar modeli ANSYS Workbench programı yardımıyla oluşturulmuştur. Oluşturulan model üzerinde, model doğrulama çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bunun yanında sonlu elemanlar analizi sonuçları analitik sonuçlarla da karşılaştırılmıştır.
    
     Doğrulanmış sonlu elemanlar modeli sonuçları incelendiğinde, cıvata anma çapının artışının cıvatalı bağlantının dayanımı üzerinde büyük etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Aynı flanş geometrisi için cıvata anma çapı M8'den M10'a yükseltilmiştir. Cıvata anma çapının arttırılması, flanş ve cıvatanın katılık oranını düşürmüştür. Bu katılık oranındaki düşüşün etkisiyle cıvatalı bağlantının tasarım yükü iki katına yükselmiştir. Bu çalışmada kullanılan sınır şartları ve modelleme tekniklerinin, çekme yükü altındaki benzer flanş geometrileri için de kullanılabileceği öngörülmektedir.
     
     Sonuç olarak flanş tasarımı yaparken cıvata ve flanşın katılık oranları hesaplanmalı ve bu oran tasarım gereksinimlerine göre seçilmelidir. Yüksek katılık oranı basma yüzeylerinin düşük yüklerde ayrılmasına sebep olurken, düşük katılık oranına sahip bağlantılarda yüzeyler arasındaki ayrılma daha yüksek kuvvetlerde meydana gelmektedir. Bu çalışmada kullanılan modelleme yönteminin benzer flanş yapılarının çekme kuvveti altında incelenmesinde de kullanılabileceği öngörülmüştür.

Abstract:
Correct design of a bolted joint and choosing the right bolt size is very important for various industries like aerospace, automotive and defense industry. Choosing the correct bolt size can lightened the design and reduce the number of bolts that is used for a connection. By this way, manufacturing and material costs can be reduced.
     
     This paper presents the effect of bolt size on bolted joints behavior. Two flange geometries which have the same flange sizes are manufactured. Only difference between these two flanges are the bolt size. Tension tests are performed on these geometries and strains are measured with the help of strain gauges which are located over the brackets and bolts. Finite element models of these test samples are modelled with the help of ANSYS Workbench programme. Model validation activities are performed for both of these geometries. FEM results also compared with analytical results.
     
     Validated finite element models show that the increment of the bolt size has a great effect on bolted joint integrity. For the same flange size, bolt size is increased from M8 to M10. Increment of the bolt size, decreased the stiffness ratio between the flange and bolt. Thus, flange design load capacity is increased two times. Boundary condition of the model and modelling techniques can be used for similar flange geometries under the axial loading.
     
     As a result of this paper, stiffness ratio of flange and bolts should be calculated and chosen according to design requirements. High stiffness ratio could lead flange connection to separate lower tensile loads and lower stiffness ratio could withstand higher tensile loads with the same flange size. Finite element modelling method at this paper can be used for similar flange connections under axial loading.