Cıvatalarda kuvvet naklinin cıvata geometrisinde yapılan değişiklikler ile iyileştirilmesi ve sonlu elemanlar metodu ile analizi
Improvement of stress concentration factor on geometrically distorted bolted joints and analysis by finite element method
Yazar: HÜMANUR ULUPINAR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ VEDAT TEMİZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Civata = Bolt ; Civatalı bağlantı = Bolted joint ; Makine tasarımı = Machine design ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method

Özet:
Otomobiller, uçaklar, konveyörler gibi pek çok bileşenden oluşan makineleri bir arada tutan ve bir araya getirmeyi sağlayan en temel ve en elzem yapı taşlarından biri cıvatalardır. Birbirinden farklı endüstrilerde, farklı boyutlarda, farklı ölçülerde ve farklı amaçlarla tasarlanan, üretilen ve kullanılan makinelerin ortak noktası olan cıvatalar, çözülebilir bağlantıların en önemlilerinden birini oluşturmaktadır. 
Cıvataların makine tasarımı içeren hemen hemen her endüstriye, her araştırmaya dokunması nedeniyle, makine tasarımında çok önemli bir rolü vardır. Bu sayede makine konstrüksiyonlarını iyileştirme ve geliştirme potansiyeli sunmaktadır. Kullanım ve uygulama alanlarının genişliği sebebiyle cıvataların üretimi ve üretim çıktıları dünya çapında standartlaştırılmıştır. Bu standartlaştırma ile birlikte, boyut, biçim, malzeme seçimi, malzeme dayanımı, taşıyabileceği kuvvet limiti gibi cıvataları tanımlayıcı parametreler sabit tutulabilmektedir.
Cıvatalar temelde bir yay gibi davranarak bir arada tutması istenen yüzeyler arasında esneyerek kuvvet geçişine izin vermektedir. Bu esneme sayesinde, yay karakteristiği sergileyen cıvatalar, kuvvet iletimini iyileştirmek için fırsatlar sunmaktadır. Kuvvet iletim yollarını iyileştirmeyi amaçlayan bu çalışmada, cıvataların yaylara benzeyen özellikleri çeşitli geometrik değişikliklerle sağlanmaya çalışılmıştır. 
Kuvvet yollarını iyileştirmek için yapılan diğer çalışmalarda, cıvatalı bağlantıların bir diğer bileşeni olan somun üzerinde geometrik değişiklikler yapılarak elastik somunlar tasarlanmış, cıvata gövdesi üzerinde farklı çaplar açılarak yaylanma katsayısı değiştirilmiş ve uzar cıvatalar elde edilmiş, sıkışan burçlar eklenerek kuvvet dağılımı iyileştirilmiştir.
Bu çalışmada ise, daha önceki çalışmalardan farklı olarak, var olan bir cıvata gövdesinin işleme tabii tutularak geometrik olarak değiştirilmesi ele alınmıştır. Bu yapılacak geometrik değişiklikler, standartlaştırılmış cıvatalara uygulanılabilir şekilde düşünülmüştür. Bu sayede makina tasarımının en temel faktörlerinden biri olan cıvatalarda kuvvet dağılımını düşük maliyetle iyileştirme hedeflenmiştir. Standartlaştırılmış cıvatalara uygulanabilir olan bu çalışma, makina tasarımında neredeyse en çok kullanılan bileşenin, hızlı ve etkili bir şekilde kuvvet iletimini iyileştirmeyi amaçlamaktadır. 
Cıvata gövdesi üzerinde yapılan geometrik değişiklikler, uygulamada CNC tezgâh ile tatbik edilebileceği ön görüsüyle tasarlanmıştır. Bu geometrik değişiklikler için 8.8 kalite, DIN 931 M10 cıvata, DIN13 metrik profil ve ISO 4032 somun tercih edilmiştir. Cıvataların oturma yüzeyi olarak akma sınırı 250 MPa , Poisson oranı 0.3 olan yapı çeliği tercih edilmiştir. 3 boyutlu katı modelleme programları kullanılarak bu montaj yapısı bilgisayar ortamında simüle edilmiştir.
3 boyutlu katı modeller, cıvata gövdesi üzerinde, cıvata ekseninde açılması ön görülen deliklerin farklı çaplarda, farklı derinliklerde ve farklı koniklik açılarında olabileceği düşüncesi ile çeşitlendirilmiştir. Standart cıvata modeli ve deforme edilmiş modeller sonlu elemanlar metodu kullanılarak yüke maruz bırakılmıştır. Standart cıvata üzerinde yapılan sonlu elemanlar analizi, teorik bilgiler ve deneysel veriler ile kıyaslanmıştır. Bu analizden yapılan çıkarım ile, aynı sınır koşulları ve yük değerleri uygulanarak geometrik olarak deforme edilmiş cıvatalar sonlu elemanlar metodu ile analiz edilmiştir. Yapılan bu çalışmalarda, cıvata gövdesinin yaylanma rijitliğinde yapılan değişikliklerin kuvvet dağılımına pozitif etkisi olduğu gözlemlenmiş, cıvata dişleri üzerinde oluşan yer değiştirmenin daha az olduğu, kuvvet yollarının daha düzenli hale geldiği saptanmıştır.

Abstract:
Bolted joints are one of the most significant fastening options amongst machine design elements. They temporarily bring various machine components together and hold them. This essential role played by the bolt and nut connections make them the most commonly used machine design component. Machines may vary on a large spectrum, yet almost all of them require bolted joints in order to be assembled.
Application of bolted joints and their impact on machine design is fundamental. Therefore, bolted joints provide a possibility to improve and develop mechanical design. 
Bolted joint components are standardized because they are intended to use in various application areas which requires similar inputs. Standardization allows the definitive factors of bolted joint components such as dimensions, materials, material properties, yield strength to be constant.
Essentially, a bolted joint behaves as a spring that holds plates together by stretching and allowing stress to pass through the plates. A bolt, as an elastic member, offers possibilities to improve stress concentration created by the clamped joint.
Bolt failures can be observed in three critical locations on a bolt body: 15 percent of these failures are directly under the head, 20 percent of them are at the thread end, 65 percent of them are in thread and nut connection. To improve the fatigue, there are three different approaches. 
One of the approaches is changing the design of the nut accordingly to the load distribution along the thread. Second approach is minimizing the stress concentration factor in the bolt by changing the bolt's design. Third approach is improving joint stiffness factor by maximizing clamped materials stiffness.These approaches offer practical improvement to the bolt joints. Yet, to achieve improvement, bolt or nut design must be changed specifically to the load distribution.
As it is mentioned, other applications to improve stress concentration includes designing nuts that are geometrically differentiated or designing bolt shank sections to change the spring constant of the bolt. 
Complex machines may include thousands of bolted joints. Therefore, improving each bolted joint becomes expensive and time consuming. In this study, a standardized bolt has been chosen and geometrical changes are applied to the already manufactured bolt shank. This process aims lowering manufacturing costs to a designed bolted joint that presents evenly distributed stress through the joint. In addition, application on standardized bolts allows one of the most commonly used machine components to be rapidly improved. The purpose of this selection is to minimize the design expenses by making alterations to the already manufactured product.
Mentioned geometrical changes on bolt shanks are previsioned as an application of abrasive machining. With that purpose, M10 bolted joint components are selected with the following properties: 8.8 quality stud and nut, DIN 931 stud, DIN 13 thread and ISO 4032 stud. Clamped structural steel plates' Poisson Ratio is given as 0.3 and yield strength is 250 MPa. Previsioned assemblies are simulated on a 3D modelling software.
After modeling the 3D assembly of bolt nut connection, the model is imported to finite element method software. In order to simulate real life bolt joint assembly, the load of the assembly is calculated. This calculation is based on the 8.8 quality bolt's yield strength. As the most fragile point of the bolt is right under the head. 
The area of the under head section is defined by DIN 931 standards. For the calculations of the load; 90 percent of the yield strength at the bolts under head section is calculated and divided to the three components. Each load component is applied to to the connection surface of the nut and clamped plate. Loads are placed parallel to the bolt's axis and normal to the nut and clamped plate connection surface. Also, these forces are arrayed equally around bolt axis.
Bolt, nut and clamped plates are meshed. Nevertheless, analysis tools capability depends on the computers capability. Therefore the meshes of clamped plates are given bigger compared to the bolt and nut. On the other hand, bolt thread and nut thread meshes are given smaller compared to the bodies. The purpose of this classification is to decrease the load on the computer and reduce the solving time. The bolt thread and the nut thread are defined as focused areas for this study. Creating smaller meshes focused around these areas allowed obtaining more detailed results.
After the meshing process, connections of bolt and nut connection are defined. Bolt thread and nut thread connection are defined as frictional connection in order to simulate a realistic assembly.
In real life, the helis angle of the threads create a friction that prevents autoblocking. Therefore this connection is defined as frictional with a 0.16 friction coefficient. Other frictional connections are; bolt head and clamped plate connection and nut and clamped plate connection. These frictional connections' coefficient is given as 0.16. Connection between clamped surfaces is defined as bonded. Constraints of the assembly are defined as fixed around one of the clamped surfaces. Also head of the bolt is defined as fixed.
After the solution process, the results that are obtained from the thread of the bolt are compared to the theoretical knowledge. Getting experimental results from the bolt thread is not possible due to connection between nut and the bolt threads. Previsioned assemblies of bolted joints are diversified by creating holes inside bolt's shank. The holes' diameters, depths and taper angles are varied. To observe the differentiation between provisioned models, the first step was creating a hole inside the bolt body where bolt thread is placed. The aim of this alteration is imitating the springs stretching ability. In the first model the diameter remained unchanged while the depth has been increased step by step to observe change in stress concentration. Then, in the second model; the depth has been fixed while diameter was increased to the limit of the thread. In the third model, a hole has been created inside the bolt until a point and from that point another hole with a smaller diameter was added. The analysis was conducted by changing the bigger holes diameter while the small hole remained fixed. Finally, in the last model, the same method as the third model was used except this time the bigger hole was driller in a conical manner.
Standardized bolt joint assemblies and deformed bolt shank assemblies are analyzed with Finite Element Method. Same constraints of standardized bolt analysis are applied to the deformed bolt shank assemblies and results are compared.
With these studies, bolt shank deformations showed improvements on stress concentration on bolted joint applications and proved less displacement compared to the standardized bolted joint assembly.