Jump to ContentJump to Main Navigation
Show Summary Details

Archive of Mechanical Engineering

The Journal of Committee on Machine Building of Polish Academy of Sciences

4 Issues per year


SCImago Journal Rank (SJR) 2015: 0.178
Source Normalized Impact per Paper (SNIP) 2015: 0.453
Impact per Publication (IPP) 2015: 0.314

Open Access
Online
ISSN
2300-1895
See all formats and pricing




Analysis of Bolt Joint Using the Finite Element Method

Bartłomiej Żyliński
  • Division of Computer Methods, Maritime University of Szczecin, H. Poboznego 11, 70-507 Szczecin, Poland
/ Ryszard Buczkowski
  • Division of Computer Methods, Maritime University of Szczecin, H. Poboznego 11, 70-507 Szczecin, Poland
Published Online: 2010-10-29 | DOI: https://doi.org/10.2478/v10180-010-0015-x

Analysis of Bolt Joint Using the Finite Element Method

A numerical analysis of the initially clamped bolt joint subject to the working pressure is presented in the paper. Special, hexahedral 21- and 28-node isoparametric finite elements have been employed to model the contact zone. In this model, one takes into account loading due to the working pressure in the gap between the gasket and the flange arising as an effect of the progressing joint opening, what has not been considered in recent papers. Nonlinear stiffness characteristics of the bolt and the flange with the gasket are developed. Working pressure corresponding to the critical bolt force resulting in the joint leakage (complete opening between the gasket and the flange) is determined. FE computational results are compared with the available experimental results. The numerical results are presented using the authors' own graphical postprocessor.

Analiza połaczenia kołnierzowego metodą elementów skończonych

W pracy przedstawiono numeryczną analizę połączenia kołnierzowego z uszczelką obciążonego zaciskiem wstępnym i ciśnieniem roboczym. W strefie kontaktu pomiędzy uszczelką a kołnierzem zastosowano specjalne przestrzenne 21- i 28-węzłowe izoparametryczne elementy skończone. W modelu obliczeniowym uwzględniono również obciązenie od ciśnienia roboczego panującego w szczelinie pomiędzy uszczelką a kołnierzem w wyniku postępujacego otwarcia połączenia, co jest pewną nowością w porównaniu do najnowszych prac opublikowanych z tej tematyki. Sporządzono nieliniowe charakterystyki sztywnościowe śruby i kołnierza z uszczelką. Określono wartość ciśnienia roboczego odpowiadającego sile krytycznej w śrubie powodującego przeciek w połączeniu (całkowicie otwarcie pomiędzy uszczelką a kołnierzem). Wyniki obliczeniowe MES porównano z dostępnymi wynikami doświadczalnymi. Wyniki numeryczne zilustrowano przy pomocy własnego postprocesora graficznego.

Keywords: bolt joint; special finite elements; stiffness characteristics

  • Wiegand H., Kloos K.-H., Thomala W.: Schraubenverbindungen, 5. Auflage, Springer, 2007.

  • Collins J.A.: Mechanical Design of Machine Elements and Machines, Wiley, 2003.

  • Krukowski A., Tutaj J.: Połączenia odkształceniowe, PWN, Warszawa, 1987.

  • Osgood C.C.: Fatigue Design, Wiley, 1970.

  • Shigley J.E., Mischke C.R.: Mechanical Engineering Design, 5th ed., McGraw-Hill, 1988.

  • Motosh I.N.: Determination of joint stiffness in bolted connections, J. of Engineering for Industry, Trans. of the ASME, 98, 858-861, 1976.

  • Junker G.: Systematic computation of highly stressed bolted joints, VDI-Richtlinie 2230, 1972 (in German).

  • Bickford J.H.: Introduction to the Design and Behavior of Bolted Joints, Marcel Dekker, 1981.

  • Zahavi E.: A finite element analysis of flange connections', Journal of Pressure Vessel Technology, Trans. of the ASME, 115, 327-330, 1993.

  • Zahavi E.: The Finite Element Method in Machine Design, Prentice-Hall, 1992.

  • Zahavi E., Barlam D.: Nonlinear Problems in Machine Design, CRC Press, 2001.

  • Sawa T., Higurashi N., Akagawa H.: A stress analysis of pipe flange connections', International Journal of Pressure Vessel Technology, Trans. of the ASME, 113, 497-503, 1991.

  • Buczkowski R.: ‘21-noded hexahedral isoparametric element for analysis of contact problems’, Communications in Numerical Methods in Engineering, 14, 681-692 (1998).

  • Buczkowski R., Gabbert U.: ‘28-noded hexahedral isoparametric element for analysis of contact problems’, Communications in Numerical Methods in Engineering, 20, 147-161, 2004.


Published Online: 2010-10-29

Published in Print: 2010-01-01


Citation Information: Archive of Mechanical Engineering. Volume 57, Issue 3, Pages 275–292, ISSN (Print) 0004-0738, DOI: https://doi.org/10.2478/v10180-010-0015-x, October 2010

This content is open access.

Comments (0)

Please log in or register to comment.