Simulation of ultrasonic time of flight in bolted joints

• Main Author: Chlebek, David
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Hållfasthetslära 2021
• Subjects: Acoustoelastic effect; User material subroutine; Murnaghan hyperelastic material model; Explicit FEM; Ultrasonic preload; Fortran; Akustoelastiska effekten; Användar material; Murnaghan hyperelastisk materialmodell; Ultraljudsmätning av klämkraft; Applied Mechanics; Teknisk mekanik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-298342

Ultrasonic measurements of the preload in bolted joints is a very accurate method since it does not depend on the friction and other factors which cause difficulties for common methods. The ultrasonic method works by emitting an ultrasonic pulse into the bolt which is reflected at the end and returned to the transducer, the change in the time of flight (TOF) can be related to the elongation of the bolt and therefore the preload. One must account for the acoustoelastic effect which is the change in sound speed due to an initial stress state. The goal of this thesis project was to implement a Murnaghan hyperelastic material model in order to account for the acoustoelastic effect when conducting a numerical simulation using the finite element method (FEM). An experiment was also performed to validate the numerical simulation. The DeltaTOF as a function of a tensile force was obtained for an M8 and M10 test piece from the experiment. The material model was implemented by creating a user subroutine written in Fortran for the explicit solver Radioss. Hypermesh was used to set-up the numerical simulation. The material model has shown an expected behavior with an increased sound speed with compressive stresses and a decreased speed with tensile stresses. The numerical simulation showed a good correspondence to the experimental results. === Ultraljudsmätning av klämklraften i skruvförband är en väldigt noggrann metod eftersom att metoden inte påverkas av friktion eller andra faktorer som innebär svårigheter för vanliga metoder. Ultraljudsmetoden fungerar genom att skicka in en ultraljudsvåg i skruven som reflekteras i botten och återvänder tillbaka till sensorn. Skillnaden i tiden för ekot att återvända kan relateras till förlängningen av skruven och därmed klämkraften. Det är viktigt att ta hänsyn till den akustoelastiska effekten, som är fenomenet där ljudhastigheten av en våg i en solid förändras med spänningstillståndet. Målet med det här arbetet är att implementera en hyperelastisk Murnaghan modell som tar hänsyn till den akustoelastiska effekten med FEM simuleringar. Ett experiment har också genomförts för att validera beräkningsmodellen. Tidsfördröjningen som en funktion av förspänningskraften togs fram för ett M8 och M10 provobjekt. Murnaghans hyperelastiska materialmodell implementerades genom att skapa ett användar material skriven i programmeringsspråket Fortran för den explicita lösaren Radioss. Hypermesh användes för att ställa upp FEM simuleringen. Materialmodellen har visat ett väntat beteende med en ökad ljudhastighet med tryckspänningar och minskad ljudhastighet med dragspänningar. Beräkningsmodellen visade en god överenstämmelse med resultatet från experimentet.