Порівняльний аналіз напруженого стану болтового з’єднання на основі аналітичного підходу з використанням НМСЕ та експериментальними даними

Заголовок (англійською): 
Comparative analysis of the stress state of a bolted joint based on an analytical approach using SFEM and experimental results
Автор(и): 
Пискунов С.О.
Мицюк С.В.
Мицюк Д.В.
Реп’ях Ю.М.
Автор(и) (англ): 
Pyskunov S.O.
Mitsyuk S.V.
Mitsyuk D.V.
Repiakh Y.M.
Ключові слова (укр): 
напіваналітичний метод скінченних елементів, метод скінченних елементів, болтове з’єднання, контактні напруження, експеримент, навантаженням від рівномірного нагрівання
Ключові слова (англ): 
semi-analytical finite element method, finite element method, bolted connection, contact stresses, experiment, uniform heating load
Анотація (укр): 
Основними типами з’єднань являються зварні, заклепкові та болтові. Болтові з’єднання мають досить багато переваг перед іншими типами з’єднань, а саме: високу технологічність, надійність, швидкість монтажних робіт, тому надалі будемо розглядати різні підходи моделювання болтових з’єднань. Одним із найбільш відповідальних та важливих моментів при розрахунку конструкції, є розрахунок елементів з’єднання вузлів, так як від точності та достовірності результатів розрахунку залежить надійність конструкції загалом. Для широкого кола задач при розрахунках досить часто користуються методом скінченних елементів (МСЕ), цей чисельний метод зарекомендував себе як один із найбільш розповсюджений та універсальний. При розрахунку елементів вузлів таких як болти, заклепки і т.д. використовуються, як правило, спрощені розрахункові схеми, але такий підхід не дає можливість повного аналізу розподілу зусиль. Для повного аналізу необхідно створювати детальні просторові моделі, що в свою чергу призводить до потреби в розв’язанні систем рівнянь високих порядків. Для підвищення ефективності МСЕ виникає необхідність його поєднання з методом розподілу невідомих, в результаті отриманий підхід називається напіваналітичним методом скінченних елементів (НМСЕ). Моделювання болта, головки болта та гайки виконувалось просторовими елементами, а натяг болта моделювався навантаженням від рівномірного нагрівання. Отримані результати напруженого деформованого стану за допомогою метода скінчинних елементів та напіваналітичним методом скінченних елементів дозволяють зробити висновок про незначну різницю розподілення напружень в просторовій постановці МСЕ та НМСЕ з експериментальними даними та дозволили виявити раціональний підхід в моделюванні натягу болтів.
Анотація (англ): 
The main types of connections are welded, riveted, and bolted. Bolted connections have many advantages over other types of connections, namely: high manufacturability, reliability, and speed of installation work, so we will further consider various approaches to modeling bolted connections. One of the most crucial and important points in the design of a structure is the calculation of the connection elements of the components, since the reliability of the structure as a whole depends on the accuracy and reliability of the calculation results. For a wide range of tasks, the finite element method (FEM) is often used in calculations; this numerical method has proven to be one of the most common and versatile. When calculating elements of assemblies such as bolts, rivets, etc., simplified design schemes are usually used, but this approach does not allow for a complete analysis of the distribution of forces. For a complete analysis, it is necessary to create detailed spatial models, which in turn leads to the need to solve systems of high-order equations. To increase the efficiency of the FEM, it is necessary to combine it with the method of distribution of unknowns, as a result, the resulting approach is called the semi-analytical finite element method (SFEM). The bolt, bolt head, and nut were modeled by spatial elements, and the bolt tension was modeled by a load from uniform heating. The obtained results of the stress-strain state using the finite element method and the semi-analytical finite element method allow us to conclude that there is a slight difference in the stress distribution in the spatial formulation of the FEM and SFEM with experimental data and allowed us to identify a rational approach to modeling bolt tension.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Опір матеріалів і теорія споруд, 2025, номер 114
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Strength of Materials and Theory of Structures, 2025, number 114
Мова статті: 
Українська
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
01-114_piskunov_s.o._micyuk_s.v._micyuk_d.v._repyah_yu.m.pdf
Дата публікації: 
04 June 2025
Номер збірника: 
114
Університет автора: 
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського» 03056, м. Київ, Берестейський просп., 37 Київський національний університет будівництва і архітектури просп. Повітряних Сил, 31, м. Київ, 03037
Литература: 
  1. Баженов В.А., Пискунов С.О., Солодей І.І.. Чисельні дослідження процесів нелінійного статичного і динамічного деформування просторових тіл // К.: Каравела, 2017. – 305 c
  2. Вабіщевич М.О., Сторчак Д.А. Розв’язання нелінійних контактних задач деформування вузлових з’єднань сталевих конструкцій. // Опір матеріалів і теорія споруд. –К.:КНУБА, Вип. 108, 2022, - С. 178-179. 
  3. Писаренко Г.С., Квітка О.Л., Уманський Е.С. Опір матеріалів. Підручник.-2-ге вид., допов. І переробл. – К.:Вища шк., 2004. -655 с.
  4. Пискунов С.О., Мицюк С.В., Мицюк Д.В., Реп’ях Ю.М. Аналіз міцності та розподіл зусиль у металевому з’єднанні при розтязі. // Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-тех. збірн. – К.: КНУБА, 2024. – Вип. 112. – С. 36-42.
  5. Пискунов С.О., Мицюк С.В., Мицюк Д.В., Реп’ях Ю.М. Аналіз напруженого стану болтового з’єднання з урахуванням натягу болта// Опір матеріалів і теорія споруд: наук.-тех. збірн. – К.: КНУБА, 2024. – Вип. 113. – С. 44-49.
  6. Програмний комплекс ЛІРА-САПР. Приклади розрахунку і проектування. К.; https://www.liraland.ua/download/private/lira/2023/lira_sapr_examples_ua.pdf.
  7. Солодей І.І., Козуб Ю.Г., Стригун Р.Л., Шовківська В.В. Чисельний аналіз напружено-деформованого стану трубчастого елемента при термосиловому навантаженні// Опір матеріалів і теорія споруд. –К.:КНУБА, Вип.109, 2022, С. 109-119. 
  8. Bazhenov, V. A., Pyskunov, S.O., Maksym’yuk Yu. V., Mytsyuk S. V. Effect of geometric nonlinearity on the life of a herryingbone lock joint in creep // Opir materialiv, 2022, Vol. 54, No. 3, pp.372-376.
  9. Bolt Pretension Object. Modeling the Bolt and Preload. Ansys//https://innovationspace.ansys.com/courses/wp-content/uploads/sites/5/202...
  10. Bolting theory. Function of Bolts and Nuts.// https://www.enerpac.com/en-us/training/e/bolting-theory?srsltid=AfmBOopwGyGRyt4MitEuI1u7WnYTTincIFx4jnjmsWYgPoP5gGSBoQ3I.
  11. Frederick F. Ling Contact Stresses and Deformations, ME EN 7960-Precision Machine Design Topic 7, 2007.
  12. Satheesh Kumar K.V., Selvakumar P., Jagadeeswari R., Dharmaraj M., Uvanshankar K.R., Yogeswaran B. / Stress analysis of riveted and bolted joints uasing analytical and experimental approach // Materials Today: Proceedings 42 (2021) 1091–1099.
  
References: 
 
  1. Bazhenov V.A., Pyskunov S.O., Solodei I.I.. Chyselni doslidzhennia protsesiv neliniinoho statychnoho i dynamichnoho deformuvannia prostorovykh til (Numerical studies of the processes of nonlinear static and dynamic deformation of spatial bodies) // K.: Karavela, 2017. – 305 p.
  2. Vabishchevych M.O., Storchak D.A.. Solution of nonlinear contact problems of deformation of nodal connections of steel structures // Opir materialiv i teoriia sporud. –K.:KNUBA, Vyp.108, 2022, P. 178-179. 
  3. Pysarenko H.S., Kvitka O.L., Umanskyi E.S.. Opir materivaliv. Pidruchnyk (Resistance of materials. Textbook).-2 edition., dopov. I pererobl. – K.:Vyshcha shk., 2004. -655 P.
  4. Piskunov S.O., Mitsiuk S.V., Mitsiuk D.V., Repiakh Y. Analysis of the stress state of the bolted connection taking into account the bolt tension // Resistance of materials and theory of structures: scientific and technical collection - Kyiv: KNUBA, 2024. - Issue 113. - P. 44-49..
  5. Piskunov S.O., Mitsiuk S.V., Mitsiuk D.V., Repiakh Y. STRENGTH ANALYSIS AND FORCE DISTRIBUTION IN A TENSILE METAL // Resistance of materials and theory of structures: scientific and technical collection - Kyiv: KNUBA, 2024. - Issue 113. - P. 44-49.
  6. Prohramnyi kompleks LIRA-SAPR. Pryklady rozrakhunku i proektuvannia. K.; https://www.liraland.ua/download/private/lira/2023/lira_sapr_examples_ua.pdf.
  7. Solodei I.I., Kozub Yu.H., Stryhun R.L., Shovkivska V.V. Chyselnyi analiz napruzheno-deformovanoho stanu trubchastoho elementa pry termosylovomu navantazhenni (Numerical analysis of the stress-strain state of a tubular element under thermoforce loading) // Opir materialiv i teoriia sporud. –K.:KNUBA, Vyp.109, 2022, P. 109-119.
  8. Bazhenov, V. A., Pyskunov, S.O., Maksym’yuk Yu. V., Mytsyuk S. V. Effect of geometric nonlinearity on the life of a herryingbone lock joint in creep // Opir materialiv, 2022, Vol. 54, No. 3, pp.372-376.
  9. Bolt Pretension Object. Modeling the Bolt and Preload. Ansys//https://innovationspace.ansys.com/courses/wp-content/uploads/sites/5/202....
  10. Bolting theory. Function of Bolts and Nuts.// https://www.enerpac.com/en-us/training/e/bolting-theory?srsltid=AfmBOopwGyGRyt4MitEuI1u7WnYTTincIFx4jnjmsWYgPoP5gGSBoQ3I.
  11. Frederick F. Ling Contact Stresses and Deformations, ME EN 7960-Precision Machine Design Topic 7, 2007
  12. Satheesh Kumar K.V., Selvakumar P., Jagadeeswari R., Dharmaraj M., Uvanshankar K.R., Yogeswaran B. / Stress analysis of riveted and bolted joints uasing analytical and experimental approach //Materials Today: Proceedings 42 (2021) 1091–1099.