Development of a methodology for numerical assessment of bolted connections subject to random vibrations

Aeronautical structures are subject to random vibrations and other time-dependent loads during their operational life and every component needs to withstand these loads without experiencing fatigue failure. To verify this, components are tested on vibrating tables before certification, according to standards such as EURO-CAE ED-14. A common and reliable means of connecting parts of a structure together is the use of bolts. The reference standard for designing and assessing bolts in both static and dynamic scenarios is the VDI2230. Most approaches, however, still rely on equivalent static loads acting on the structure, without proper consideration of the dynamics and the effects of random vibrations. The goal of this thesis is to develop a Finite Element based methodology to estimate the fatigue damage of bolted connections subject to random vibrations. The procedure adopts a frequency domain approach employing the Dirlik method for the computation of the stress ranges. A simple representation of the bolts through beam connections guarantees computational efficiency, so that it can be easily automated in design tools. The methodology is validated through two series of experimental tests. In the first one, the fatigue properties of a set of bolts is characterized by means of an S-N curve. In the second one, the accuracy of the frequency domain cycle counting method combined with a linear damage accumulation model is verified thanks to a random fatigue test. The results show good accuracy of the methodology developed.

La maggior parte delle srutture aeronautiche è soggetta, durante la vita operativa, a vibrazini randomiche o altri carichi tempo varianti ed ogni componente deve sostenere questi carichi senza cedere a fatica. Per assicurarsi che ciò accada, prima di essere certificati i componenti vengono testati su tavole vibranti, secondo standard come la EURO-CAE ED-14. Un metodo comunemente usato per collegare parti di una struttura é l'utilizzo di bullonature. La normativa di riferimento per il dimensionamento e verifica delle viti è la VDI2230. La maggioranza degli approcci, tuttavia, si basa ancora sulla definizione di carichi statici equivalenti, senza considerare in modo comprensivo la dinamica della struttura e l'effetto di carichi random. L'obiettivo della tesi é di creare una metodologia ad Elementi Finiti per stimare la vita a fatica di bullonature soggette a vibrazioni di tipo random. La metodologia adotta un efficiente approccio nel dominio delle frequenze e il metodo di Dirlik per il calcolo dei cicli di fatica. L'uso di una modellazione semplificata delle viti tramite elementi beam garantisce efficienza computazionale, così che la procedura possa essere facilmente automatizzata. La metodologia è validata tramite due test. Nel primo, le proprietà di fatica di un set di viti sono caratterizzate tramite una curva S-N. Nel secondo, l'accuratezza del metodo di Dirlik, combinato a una legge lineare di accumulo del danneggiamento, viene verificata grazie a una prova di fatica random. I risultati mostrano buona accuratezza della metodologia sviluppata.