بررسي تحليلي و آزمايشگاهي رفتار غيرخطي اتصالات فلنجي تحت بارگذاري طولي و خمشي

Analytical and Experimental Investigation for Nonlinear Behavior of Flange Joints Under Axial and Lateral Loading

اتصالات فلنجي در تجهيزات مكانيكي و سازه‌هاي هوافضايي به‌طور گسترده بكار مي‌روند. مطالعه و بررسي رفتار استاتيك و ديناميك اين اتصالات همواره با اهميت است. در اين پژوهش، به‌منظور در نظر گرفتن انعطاف‌پذير اتصال، نخست، اتصال فلنجي با تعدادي فنر معادل شده و سپس روندي تحليلي براي محاسبۀ سختي معادل اين نوع اتصالات ارائه گرديده است. براي اين منظور لبۀ اتصال به‌صورت تير يكسر درگير مدل شده و تغيير شكل آن تحت بارگذاري‌هاي مختلف استخراج شده است. در ادامه با استخراج منحني غيرخطي تغيير شكل اتصال برحسب بار وارده بر آن، ميزان سختي اتصال محاسبه گرديده است. مشاهده گرديده است كه فنرهاي معادل اتصال تحت بارگذاري‌هاي مثبت و منفي رفتار متفاوت داشته و سختي معادل آن‌ها حالت دوخطي دارد. با طراحي و ساخت نمونه اتصال فلنجي تك‌پيچ، رفتار اين اتصال به‌صورت آزمايشگاهي ارزيابي شده است. براي اين منظور اتصال موردنظر تحت بارگذاري‌هاي خمشي و طولي قرار گرفته و رفتار تغيير شكل آن استخراج گرديده است. علاوه بر اين مدل اجزاء محدود اتصال ايجاد و سپس نتايج تحليلي ارائه شده در اين پژوهش با نتايج آزمايشگاهي، اجزاء محدود و نتايج عددي پژوهش‌هاي پيشين مقايسه شده است. در نهايت با استفاده از مدل تحليلي ارائه شده، اثر تغيير پارامترهايي نظير پيش‌بار پيچ و ضخامت فلنج، روي ميزان سختي اتصال مورد بررسي قرار گرفته است

The flange joints are widely used in mechanical and aerospace structures. Hence, the static and dynamic behaviors of these joints are very important to be investigated. In the present study, a flange joint is described using linear and torsional springs. The equivalent stiffness of these springs are theoretically obtained. In doing so, the edge of flange is modeled as a cantilever beam and its deformation under various loading is calculated. Then the nonlinear deformed curvature due to the enforced loading is obtained. Having the curvature, the joint stiffness is calculated separately for axial and lateral loadings. It has been observed that the equivalent linear and torsional springs have bilinear stiffness due to different behaviors in positive and negative loadings. An experimental setup consisting a single bolt flange joint specimen has been designed to investigate the load-deflection behavior. The specimen puts into different loading configurations to obtain moment-rotation and force-deflection curves. A finite element model has been developed and result of the presented analytical model are compared with the experimental, FEM and previous numerical results. Finally, using the presented model, effect of changing the practical parameters of flange, like the bolt preload and flange thickness is investigated.