TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.6, Jun e  201 4, pp. 4876 ~ 4 8 8 1   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i6.584 8          4876     Re cei v ed  Jan uary 26, 201 4 ;  Revi sed Ma rch 2 2 , 2014;  Acce pted April 6, 2014   Structural Intensity Simulation of Bolt Joints in  Vibration Environment       Yongjuan Zh ang*, Guo y ing Zeng, De ngfen g Zhao    Schoo l of Man u facturin g Scie nce an d Eng i n eeri ng,  South w est Univers i t y   of Science a n d   T e chnol og y,  Mian ya ng; 6 2 1 010; Ch in a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : zhang yo n g ju anj uan @1 63.c o m       A b st r a ct   T he pap er a n onli n e a r mod e l  of bolt joi n ts structur e in vi bra t ion env iron me nt is built, incl u d in g the   friction, contac t and so  on co mp lex n o n li n e a r factors. Structure Intensity  (SI)  of it is cal c ulate d  by F i n i te   Ele m e n t Meth od (F EM) as  an a ppr oach  for the state  id ent ificati on of bolts  j o ints  str u cture in vibration  envir on me nt. T he p l ots of the  structur e inte n s ity vector un d e r differe nt  tigh tenin g  torq ue  w e re obtai ne an d   show ed th e SI chan ges  of b o lt jo ints struct ure w i th differ ent tight eni ng  torque,  and s h ow ed the  en er gy   distrib u tion  an d trans missi on  at different tig h teni ng torq ue. In order to c o mp are, T he SI  ma ps of of ri gi d   conn ected b e a m  at differe nt tighten in g torqu e  also w e re o b tain ed.     Ke y w ords : structural i n tensit y, bolt join ts, finite elem ent, power flow,   vibration e n viro n m ent     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  The joints fo rm of mech a n ical a s semb ly is so various, in cludin g  the sectio n of the  degree  of joi n ts, bolt  joint s , Pin j o ints,  weldi ng,  cem entation and  so on.  T he b o lt  joints  is  o ne  multi-scal e n online a r p r obl em amon g all  of the jo ints  above. The di scontinu o u s  of the stru cture's  local  stiffness and d a mpi ng is cau s e d  by the  existen c e of joi n ts. The rel a tive sliding  on  tangential  of the joint s  an the gap  se pa ration a nd  im pact o n  the n o rmal m a y arise in Vib r atio con d ition s . Friction a nd  cle a ran c are th e two typical  nonlin ear  out come s of b o lt joints, on ce i t 's   in vibration e n vironm ental.  Unde r the d o minat ion of  these b ehavi o rs, a bund an t and intricat e   nonlin ear ph e nomen on  will  occu r i n  the   dynamic re sp onse of  the  b o lt joints [1].  Many  schola r s   studie d  the cha r a c teri stics of the bolt  joints  in re cent years. The definition  and co nst r u c tor  method s of nonline a r mod e l have been  prop osed by  Peshe c k and  Pierre [2], an d they also di d a   prima r y study  on the nonlin ear mod a l an alysis by  the way of The finite element method, and this  method is p r omoted to pi ece w i s e-li nea r system by   Jian g [3]. In  orde r to find out the statistic  feature for th e warning of  the failure of bolt  joints, the method  of combinin g the nume r ical   simulatio n  a nd expe rime nt is ado pte d  by  Den g F eng Zh ao. T he effect s o f  the nonlin ear  cha r a c teri stics of  bolt joi n ts on  the vib r ati on re sp on se paramete r a r e dee ply  re sea r che d  by  XueQian  Che n  and othe rs.   As for the elo ngated  stru cture,  the prop agation of wa ve is an impo rtant form of moveme nt under ex citation, and it will bee n cha nged by the  n e w cra ck in th e stru cture which  carrie d e n e rgy throu gh vibration  wave  in dissemin ation. So  the distribution an d tran smi ssi on  of vibration e n ergy have be en ch ang ed. Therefore, th e vibration  po wer flo w  ch aracteri st ics of  damag ed st ru ctu re ca n be stu d ied thro ugh t he pro pag atio n of vi bration energy, and then the po siti on and  size o f   damag ed st ru cture  can b e  diagn osed. Beca use of  the advantage of the stru cture vibration in  p owe r  flow me thod, it is more and mo re widely us e d  in engin eeri ng p r acti ce. The p o we r flow me t hod is u s e d  a s  analy s is too l  in vibration contro l research sin c e its the o ry wa s creat ed by H.G.D. Goyder  a nd  R.G.White [4 -6] in 1980. By meas uri n g the transfe r function i s  not enough  to   provide  sufficient informati on to dete r m i ne the  tran sf er path w ay  whe n  a conti nuou s st ru cture  vibration  tran smissio n  fro m  poi nt to  p o int was  stud ied. In  ord e to take  effe ctive mea s u r e s  to   improve the  vibration control, the powe r  flow we re st udied wi del y in recen t   years. Th e m a in advanta g e s of po wer fl ow metho d  are that the force and  the spe ed in the stru ct ure  have  b e e n   con s id ere d , so doe s the  impedan ce  ch a r a c teri stic in the stru cture. Power i s  a   singl e value  whi c h can giv e  an ab solute  measu r e of vibration tran smissi on.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Structu r al Intensit y Sim u lation of Bolt Join ts in Vibrati on Envi ronm ent (Yongj ua n Zhang 4877 2. Computati onal Metho d s of  S truc tur a l Intensit y  [7]    The con c ept  of structu r al  intensity wa s in tro duced  in 1970 to the structu r aco u sti c   fiddle [8-9] a nd Pavic dev elope d SI formula [10]. Th e SI focus o n  the stru ctu r e internal  stress   and the pa rti c le motio n . SI was d e fined  as po we pe r unit width in  a spe c ified d i rectio n of flow.  The SI can  a s  the  po we r flow d e n s ity, which i s   a ve ctor a nd  sho w s the en ergy’s  magnitud e  a n d   dire ction of a point on the structu r e. The  SI of th ree-di mensi onal  structure is vect or of time und er  norm a l ci rcu m stan ce s, which i s  e qual  to the po we flow pe r unit  area  of the vi bration  struct ure  and its matrix  form is:    ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( t y t v t v t t t t t t t t t i i i z y x z zy zx yz y yx xz xy x z y x                   (1)     Whe r σ l(t ) τ nl(t)a nd vl(t)are the velo ci ty and stre ss  respe c tively at time t.  Variou state  variabl es a r e  the h a rm oni c vibrat ion  at t he  same  fre q uen cy in th analysi s   of harmoni resp on se,  whi c h i s   expre ssed a s   a pl ura l  form. T he S I  in the f r equ ency  domai is  divided into two pa rts. On e part is a  consta nt  value, the se ctio n of whi c h i s  un cha nge d .  If  dampin g  i s   zero, the n  tha t  part i s  al so  ze ro. An oth e r p a rt i s  th e  amou nt of  chang es with   two   times of harm onic fre que ncies and di re ction.  The SI in  the frequen cy domain can  be defined a s   follows   z y x z zy zx yz y yx xz xy x z y x y v v I I I Re 2 1                                 (2)     * * * Re 2 1 z y x z zy zx yz y yx xz xy x z y x y v v I I I                                                    (3)       Whe r e th e E quation  (2 ) i s  ch angin g  p a r t, Equation  (3) i s  a  con s tant value  po rtion,  σ l,  τ nl i s   multiplexing  stre ss as fre quen cy dom a i n, vl* is  the conj ugate of  the spe ed an d Re rep r e s e n ts   the sele ction  of the real pa rt of complex  numbe rs.       3. Finite Element Model   3.1. Model Introdu ction.    The sim p lification and  me sh  mod e is a n  importa nt  step in finite element mod e ling,  will  dire ctly affect the  accura cy and the computation a scale  re sult s. In the pape r, the model  is  comp osed of  a pair  of be ams a nd two  bolts of M6 ×25. The b o lt scre w an d st ructu r al  ch a m fer  are ig nored, the nut an d b o lt as an o r g anic  whol e,  a nd sh own in  Figure 1. In o r de r to refle c t  th e   nonlin ear b e havior of bolt  joints structu r e of t he co n t act and fri c tion, use the  contact mo del  of  finite elemen t analysis b y  establishi n g  cont a c t pairs b e twe e n  conn ecte d pieces, nut and   con n e c ted. T he fri c tion  be tween  the  co ntact  su rface s  m u st  be  ta ken  into  a c co unt. At la st, the   Coul omb fri c tion model of simple and a p p lica b le is  ta ken. The mod e l mesh i s  sh own in Fig u re  2.  In orde r to study com parin g with  lap joint  structu r with bolts,  this p aper h a s   establi s h ed the  finite  ele m ent model   of rigi d co nne cted be am. And  the   diffe ren c with b o lt  con n e c tion  structu r finite  element  mo del is   that  there i s  n o    friction  b e twee n a p a ir  of beam, inst ead of usi ng the adh esive (that  is, a pair  of  form the combinatio n).   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4876 – 4 881   4878 Figure 1. The  Model of the Bolt Joints St ructu r e   Figure 2. The  Finite Element Model       3.2. Model Material and  Boundary  Conditions.   The  releva nt  material  con s tants a r sh o w n i n  Ta ble  1  , and  bolt s  a r e M 6   × 2 5   standa rd   steel  bolts. E x ternal lo ad i s : lap  bea m fi xed at on e e n d , and  the ot her  end  of th e ap plied fo rce of  10N a nd 50 0 H sine ex citation, whi c h the po sition is  point 1 in Fig u re 6.       Table 1. The  Material  Con s tants  materia   Y oun g’s modulus (Gpa )   Poisson’s ratio   Densit y  (kg/ 3 m Damping   steel 210  0.23  7850   0.0002       3.3. The Bolt Tightening  Torque  Simulated b y  Pr estr a in  Bolt tightening torque  is tightene d the bolt oc curs d u ring the  stre tching force g enerated   by the deformation. In ge neral u s e of f i nite  element  softwa r e p e rl oad elem ent method, cooli n g   method,  pen etration  co ntact m e thod  to si mulate  b o lt tightenin g  torq ue. In t h is  pap er fin i te  element  cacu lations, the b o lt tightening  torque to d e scrib e  the u s e  of prestrain,  the cal c ulatio n   requi re d for the torqu e  co n v erter bolt s  prestrai n appli e d to the bolt.      4. Result  The SI maps of bolt joints stru cture  at 500 Hz  whe n  the tightening  torque i s  0Nm, 1Nm   and  2Nm a r e respe c tively sho w e d  in  Figu re  3, F i gure  4,  Figu re  5. Th e SI  value  is large   influen ced by  tightening torque  at bolt joints.  So the both end s of lap beam are studied and th e   con n e c tion s are ign o red.   In Figu re 3, t he  sou r ce of  excitation a n d  the  flow  of  energy in th e  bolt joint s   structure i s   sho w clea rly  and the SI value i s  very li ttle. So  the energy tran smi tted to  the other e nd by bl ots  joints is  so small. The reason why can  cle a rl y sh ow the flow  of energy an the excitatio n   sou r ce, acco rding to the wave theory is  reflectin g  ene rgy at incenti v e points.   The Fi gu re  4  sh owed th at the di stri buti on a nd  si ze  of po wer flo w  tran smitting at la beam  when ti ghtenin g  torq ue  is 1 N m. The ene rgy tra n smitted to th e other e nd b y  blots joints i s   large r  th an t hat at tighte n i ng torque  is 0Nm.An d th e SI value  at bolts joint s  i s  la rge r  fo r t he  tightening to rque. Accordi ng to wave t heory i s  due  to t the energy transmi ssi on and  refle c tio n   sup e rp ositio n  at co upling   boun dary. In  pra c tical  en ginee ring  structure, by ex ternal  elasto mer  won't  like  ide a l state  imme diately produ ce  deformati o n  an stre ss i n  the  wh ole  structu r e, b u t i n   the form of  volatility carry energy tra n sfer to  th e distan ce fro m  the part o f  motivated. Carry  energy an d e l astic  wave  i n clu d ing: lo n g itudinal  wav e , torsi onal  wave and  flexural  wave, th ese  wave s a r pl ane  wave. A c cordi ng to   wave th eory,  the  wave  wi ll en cou n ter i n  the  pro c e s s of  compl e x stru cture  of relay  discontin uou s pla c e,  su ch  as  materi al, geomet ry sh ape o r   stru ct ure   cha nge, in thi s  case, ca n p r odu ce  reflex  wave a nd transmi ssion  wave. And in some cases  with  incid ent wave s of different types of wave  is pro d u c ed.   Whe n  the tig h tening to rq u e  is  2Nm,  sh o w n in   Figu re  5, the en ergy   tran sferred  the whole   lap bea m sig n ificantly enh anced, and  more e n e r gy  transfe rred to  the other en d by bolts joi n ts.   The  SI of  bolt  con n e c tion  stru cture is also larg er, sho w in g   the energy   reflection   and   sup e rp ositio n  at  the bolt jo ints is st rong er.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Structu r al Intensit y Sim u lation of Bolt Join ts in Vibrati on Envi ronm ent (Yongj ua n Zhang 4879 Figure 3. The  SI Map of Bo lt Joints Stru cture  at Tightening  Torq ue =0Nm  Figure 4. The  SI Map of Bo lt Joints Stru cture  at Tightening  Torq ue =1Nm      Figure 5. The  SI Map of Bo lt Joints  Stru cture at Tighte n ing To rqu e  =2 Nm         The 6 poi nts sele cted o n  the lap be a m , and the p o sition a s   sh own in  Figu re 6 (the  excitation p o sition is p o int  1). The  SI value of ea ch  po int are  sh own  in Figu re  7, and it in crea sed  quickly wh en  the tightening  torque  chan ging form 0 N m to 2Nm.           Figure 6. The  Position of 6 Points Sele cted   Figure 7. The  SI Value of e a ch Point       The SI map  of of rigid  co nne cted b e a m  at 500 Hz  whe n  the tigh tening to rque   is 0 N m,   1Nm an d 2Nm are resp ect i vely showed  in Figure 8, Figure 9, Fig u re 10.  In Figure 8, the so urce of excitation an d t he  flow  of  energy in the rigid co nne ct ed bea m   is sho w cle a rly an d the  SI value is v e ry little.  So the en ergy tra n smitted to t he othe r e n d  by  blots joint s  is so  small. But compa r in g with t he  Figure 3, it sh owe d  t hat  the energy  loss of  throug h the b o lt joints stru cture is la rge r  than that thro ugh the rigi d con n e c tion b eam.  The Fig u re  9 and Fi gure 10 sho w e d  that t he di stributio n an d si ze of po wer flo w   transmitting  at lap be am  whe n  tighte n ing to rque  i s  1 N m a nd  2Nm. Th e S I  value of ri gid   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 6, June 20 14:  4876 – 4 881   4880 c o nn ec te d   b e a m  is  lar g er   w i th  th e p e r f or c e  gr o w ing. And  be ca use no  lo nge r con necte by bol ts,  the ene rgy transmi ssion  a nd refle c tion  sup e rp ositi o n  is smalle r at  rigid  con n e c ted bo und ary, the  SI at this place is no that la rge comp arin g with the Fig u re 4 an d Fig u re 5.       Figure 8. The  SI Map of Rigid Co nne cte d   Beam at Tigh tening To rqu e  =0 Nm   Figure 9. The  SI Map of Rigid Co nne cte d   Beam at Tigh tening To rqu e  =1 Nm         Figure 10. Th e SI Map of Rigid Co nne ct e d  Beam at Tightenin g  Torque =2Nm       5. Conclusio n   The lap b e a m  model with  bolts joints i s  built, inclu d i ng the frictio n , conta c t an d so on   compl e x nonli near fa ctors.   The SI  at different  tighteni ng to rqu e  i s   calcul ated, a n d  the  SI map   is pl otted. Th e sou r ce  of excitation t he  flow  of  en ergy in th e bo lt joints  st ru cture i s   sho w clea rly. At different tig h teni ng  torque , the e nergy di strib u t ion and tran smissi on a r e d i fferent.  As the energ y  transmi ssio n  and refle c ti on sup e rpo s ition at coupli n g bound ary, the SI a t   bolt joints bo unda ry is larg e. And the SI  incr ea se s wit h  the bolt tightening torq ue   growi ng.   The SI val u e  of e a ch  p o i n t at lap  b e a m  chan ged  q u ickly when  the tighte n ing  torq ue    cha ngin g , an d p r ovide  the  ba sis for the   state  identif ication of bolt s  joints struct ure in vibrati on  environ ment.       Ackn o w l e dg ements   This work was finan cially  supp orted b y   the NSAF (108 760 34),  Nation al Scie nce a nd  techn o logy  major spe c ia l Proje c (2 011ZX0 400 2-081) an d P o stgradu ate Innovation F und  Proje c t by Southwe s t Univ ersity of  Scie nce a nd Te ch nology (1 3ycjj 44).       Referen ces   [1]  X i ngr ui Ma. Dy namics of spacecraft, progr ess and pr ob lems in applic ation. Be ijing: S c ienc e Press.  200 1 (in chi nes e).  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Structu r al Intensit y Sim u lation of Bolt Join ts in Vibrati on Envi ronm ent (Yongj ua n Zhang 4881 [2]  Pesheck E, Pi erre C, Sh a w   SW . A ne w  g a lerki n -b ased  appr oach f o accurate  no n-li near  norma l   modes thro ug h  invari ant manif o lds.  Jour nal  of Sound a nd Vi bratio n.  200 2; 249( 5): 971- 99 3.  [3]  Jian g D. Larg e  amplitu de n o n line a r norm a modes  of p i ec e w ise  lin ear s ystems in Jour n a l of Sou n d   and Vi brati on, 200 4; 217( 3): 869-8 91.   [4]  Go yder HGD, W h ite RG.  Vibrati on po wer flo w   from  machi nes into  built-u p structures. Part I:  Introductio n   a nd  appr o x imat e a nal ys es of  beam  an d p l at e-like  fou n d a ti ons.  Jo urna l o f  soun d a n d   vibrati on.  19 80 ; 68(1): 59 -75.   [5]  Goy der HGD,  White RG. Vibration  po w e r flo w  from  machines into  built-up  structures. Part II: Wave  prop agati o n  a n d  p o w e r  flo w   i n  be am-stiffene d p l ates.  J ourn a of so und  a n d  vi bratio n.  1 9 80; 6 8 (1):  77- 96.   [6]  Goy der HGD,  White RG. Vibration po w e r flo w  from  machines into  built-up  structures. Part III: Po w e flo w  t h rou gh is olati on s y stem s.  Journal of so und a nd vi brati o n . 198 0; 68(1) : 97-117.    [7]  Guo y in g Z eng,  Dengf eng Z h a o . Structural In tensit y   A n a l ysi s  of A hell Stru cture Sub j ecte d to D y nam ic   Fo rce .   Noise a nd Vibr atio n Control . 20 10; 6( 3): 60-63 (i n C h in ese).   [8]  Noise u x  DU. Measur ement  of po w e r flo w   in unif o rm bea ms and plates Journal of the Acoustica l   Society of America . 197 1; 47: 238- 247.   [9]  Williams  EG. Structural  inte nsit y i n  thi n  c y l i ndr ical  sh ell  in  Jour na l of  the Ac oustic a l S o ciet o f   America. 19 91;  89: 161 5-16 22 [10]  Gavric L, Pavic G. F i nite ele m ent method for co mputati o n  of structural in tensit y  b y  the  normal mo d e   appr oach.  Jo ur nal of Sou nd a nd Vibr atio n . 1993; 16 4(1).     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.