ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2022-4-601-611ipolytech-644Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGОценивание неопределенности измерения при испытаниях на растяжение высокопрочных болтовEvaluation of the measurement uncertainty during the tensile tests of high-strength boltshttps://orcid.org/0000-0003-2432-212XХамхановаД. Н.KhamkhanovaD. N.

Хамханова Дарима Нимбуевна, доктор технических наук, доцент, доцент кафедры «Стандартизация, метрология и управление качеством»

670033, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40B, стр. 1, Россия

Darima N. Khamkhanova, Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Standardization, Metrology and Quality Management

40B, Klyuchevskaya St., bldg.1, Ulan-Ude 670033, Russia

darima-1956@yandex.ruХадыковМ. Т.KhadykovM. T.

Хадыков Михаил Томович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Стандартизация, метрология и управление качеством»

670033, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40B, стр. 1, Россия

Mikhail T. Khadykov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Standardization, Metrology and Quality Management

40B, Klyuchevskaya St., bldg.1, Ulan-Ude 670033, Russia

khadykovmihail@yandex.ruМосоровВ. И.MosorovV. I.

Мосоров Владимир Иванович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Металловедение и технологии обработки материалов»

670033, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40B, стр. 1, Россия

Vladimir I. Mosorov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Metallurgical Science and Material Processing Technologies

40B, Klyuchevskaya St., bldg.1, Ulan-Ude 670033, Russia

vlmosorov@yandex.ruБахруновК. К.BakhrunovK. K.

Бахрунов Константин Константинович, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Металловедение и технологии обработки материалов»

670033, г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40B, стр. 1, Россия

Konstantin K. Bakhrunov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Metallurgical Science and Material Processing Technologies

40B, Klyuchevskaya St., bldg.1, Ulan-Ude 670033, Russia

bkk1975@mail.ruВосточно-Сибирский государственный университет технологий и управленияРоссияEast Siberia State University of Technology and ManagementRussian Federation202229122022264601611Copyright © Хамханова Д.Н., Хадыков М.Т., Мосоров В.И., Бахрунов К.К., 20232023Хамханова Д.Н., Хадыков М.Т., Мосоров В.И., Бахрунов К.К.Khamkhanova D.N., Khadykov M.T., Mosorov V.I., Bakhrunov K.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/644

Цель – разработка методики оценивания неопределенности измерения при испытаниях на растяжение металлов и сплавов. Для разработки данной методики проводились исследования источников неопределенности. Объектом исследований явились высокопрочные болты из стали марки 40Х «Селект», которые подвергали испытаниям на растяжение по методике согласно ГОСТ 1497-85 на универсальной разрывной машине УММ-100. Выявлены основные источники неопределенности измерения относительного удлинения и относительного сужения: повторные измерения относительного удлинения; погрешности измерения штангенциркулем конечной длины, нанесения начальной длины расчетного участка и силоизмерительного устройства машины. Также к ним относятся ошибка отсчета оператора, повторные измерения относительного сужения, погрешность измерения микрометром диаметра образца до начала и после испытаний. Показано, что при проведении измерений при температуре окружающей среды, отличной от значения нормальной температуры ((20±5)С), появляется дополнительный источник неопределенности – отклонение температуры. Приписаны предполагаемые законы распределения входных величин. Показано, что при испытаниях на растяжение имеются две составляющие неопределенности, оцениваемые по типам А и В. Составлена математическая модель измерения относительного удлинения и относительного сужения при испытаниях на растяжение. Оценены стандартные неопределенности входных величин исходя из предполагаемых законов их распределения. Выявлено наличие корреляционной связи между конечной длиной расчетного участка, диаметром образца после испытания и прилагаемым усилием. Получены выражения для расчета коэффициентов чувствительности, характеризующие изменение выходной величины (относительного удлинения) от изменения входных величин. Оценены суммарная и расширенная неопределенности измерения. На основании проделанной работы прописана процедура оценивания неопределенности измерения при испытаниях высокопрочных болтов на растяжение. Показано, что оценивание неопределенности измерений при испытании продукции является достаточно трудоемкой работой, предлагается разработка методик оценивания неопределенности измерения при испытаниях и внесение их в нормативные документы на методы контроля.

A developed methodology for evaluating measurement uncertainty during the tensile tests of metals and alloys is presented. In this connection, the various sources of uncertainty are considered. The object of studies included high-strength bolts made of 40Kh “Selekt” steel, which were subjected to tensile tests according to the GOST 1497-85 State Standard using a UMM-100 universal tensile testing machine. The basic sources of uncertainty in the measurement of relative elongation and reduction were shown to include repeated measurements of relative elongation; errors of measuring the finite length by a vernier calliper and marking the initial length of a calculated section, as well as the measurement error of the tensile testing machine. These also include operator reading error, repeated relative reduction measurements, as well as the error of measuring the sample diameter by a micrometer before and after the tests. During the measurements, temperature deviation was demonstrated to constitute an additional source of uncertainty when the ambient temperature is different from the standard temperature value ((20±5)°C). Assumptions underlying laws describing the distribution of input values were assigned. Tensile tests are shown to be characterised by two components of uncertainty evaluated as types A and B. A mathematical model constructed for measuring relative elongation and relative reduction during tensile tests is presented. The standard uncertainties of input values are evaluated based on the assumed laws of their distribution. A correlation between the final length of the calculated section, the diameter of the sample following the test, and the applied force, is revealed. Expressions for the calculation of sensitivity coefficients, which characterize variations in the output value (relative elongation) depending on variations of input values, were obtained. The total and extended measurement uncertainties were evaluated. Based on the performed studies, a procedure for evaluating measurement uncertainty when carrying out tensile tests of high-strength bolts was described. The evaluation of measurement uncertainty during the product testing was shown to be a rather labourconsuming work. In this regard, the authors propose the development of procedures for evaluating the measurement uncertainty during the tests with their inclusion into regulatory documents for control methods.

измерениеиспытаниеметоднеопределенность измерениястандартная неопределенностьрастяжениеmeasurementtestmethodmeasurement uncertaintystandard uncertaintytensile stressReferencesПарышев Д. Н., Герасимов В. Я. Влияние длины болтов на прочность при растяжении // Транспортное строительство. 2009. № 6. С. 14–15.Paryshev D. N., Gerasimov V. Ja. Influence of length of bolts on durability at a stretching. Transportnoe stroitel'stvo. 2009;6:14-15. (In Russ.).Шаповалов В. В. Анализ применения болтов различного класса прочности в стальных каркасах промышленных зданий // Дни науки студентов Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых: матер. науч.-практ. конф. (г. Владимир, 22 марта – 9 апреля 2021). Владимир: Изд-во ВлГУ, 2021. С. 594–602.Shapovalov V. V. Analysis of the use of bolts of various strength classes in industrial building steel frames. Dni nauki studentov Vladimirskogo gosudarstvennogo univer-siteta imeni Aleksandra Grigor'evicha i Nikolaya Grigor'evicha Stoletovyh: materialy nauchno-prakticheskih konferencij = Days of science of students of Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs. 22 March – 9 April 2021, Vladimir. Vladimir: Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs; 2021, р. 594-602. (In Russ.).Гуль Ю. П., Ивченко А. В., Кондратенко П. В., Перчун Г. И. Сравнительный анализ комплекса механических свойств, полученных при испытаниях готовых болтов и обточенных образцов // Наука та прогрес транспорту. Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту. 2015. № 4. С. 132–141. https://doi.org/10.15802/STP2015/50121.Gul Yu. P., Ivchenko A. V., Kondratenko P. V., Perchun G. I. Comparative analysis of complex mechanical proper-ties obtained in tests on finished bolts and turned samples. Nauka ta progres transportu. Vіsnik Dnіpropetrovs'kogo nacіonal'nogo unіversitetu zalіznichnogo transportu. 2015;4:132-141. https://doi.org/10.15802/STP2015/50121.Гладштейн Л. И., Бабушкин В. М. Высокопрочные болты класса прочности 12.9 в монтажных соединениях строительных металлоконструкции // Промышленное и гражданское строительство. 2011. № 6. С. 37–39.Gladshteyn L. I., Babushkin V. M. High-strength bolts of 12.9 strength class in assembly joints of building metal structures. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo = Industrial and Civil Engineering. 2011;6:37-39. (In Russ.).Кутяйкин В. Г., Горбачев П. А. Оценивание неопределенности при определении прочностных характеристик материалов // Компетентность. 2021. № 7. С. 16–20. https://doi.org/10.24412/1993-8780-2021-7-16-20.Kutyaykin V. G., Gorbachev P. A. Estimation of uncer-tainty in determining the strength of materials’ characteris-tics. Kompetentnost' = Competency. 2021;7:16-20. (In Russ.). https://doi.org/10.24412/1993-8780-2021-7-16-20.Одесский П. Д. Перспективные требования к высокопрочным болтам для монтажных соединений металлических конструкции в северном исполнении // Вестник НИЦ «Строительство». 2017. № 3. С. 155–162.Odesskij P. D. Advanced requirements for the northern version of high-strength bolts for assembly joints of metal structures. Vestnik NIC “Stroitel'stvo” = Bulletin of Science and Research Center of Construction. 2017;3:155-162. (In Russ.).Горицкий В. М., Гусева И. А., Сотсков Н. И., Гук В. О. Сравнение качества высокопрочных болтов класса прочности 12,9, изготовленных различными производителями // Крепеж, клеи, инструмент и… 2013. № 2 С. 26–29.Gorickij V. M., Guseva I. A., Sotskov N. I., Guk V. O. Quality comparison of high-strength bolts of 12.9 strength class produced by various manufacturers. Krepezh, klei, in-strument i… = Fasteners, Adhesives, Tools and... 2013;2:26-29. (In Russ.).Kodur V. R., Khaliq W., Kand S. Effect of temperature on thermal and mechanical properties of steel bolts // Journal of Materials in Civil Engineering. 2012. Vol. 24. No. 6. Р. 765–774. https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000445.Kodur V. R., Khaliq W., Kand S. Effect of temperature on thermal and mechanical properties of steel bolts. Journal of Materials in Civil Engineering. 2012;24(6):765-774. https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000445.Sun Xiao-ming, Zhang Yong, Wang Dong, Yang Jun, Xu Hui-chen, He Man-chao. Mechanical properties and supporting effect of CRLD bolts under static pull test conditions // International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. 2017. Vol. 24. 1–9. https://doi.org/10.1007/s12613-017-1372-y.Sun Xiao-ming, Zhang Yong, Wang Dong, Yang Jun, Xu Hui-chen, He Man-chao. Mechanical properties and sup-porting effect of CRLD bolts under static pull test condi-tions. International Journal of Minerals, Metallurgy, and Ma-terials. 2017;24:1-9. https://doi.org/10.1007/s12613-017-1372-y.Li Guangde, Zhang Changrui, Hu Haifeng, Zhang Yudi. Preparation and mechanical properties of C/SiC nuts and bolts // Materials Science and Engineering: A. 2012. Vol. 547. P. 1–5. https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.03.045.Li Guangde, Zhang Changrui, Hu Haifeng, Zhang Yudi. Preparation and mechanical properties of C/SiC nuts and bolts. Materials Science and Engineering: A. 2012;547:1-5. https://doi.org/10.1016/j.msea.2012.03.045.Yahyai M., Kodur V. R., Residual mechanical properties of high-strength steel bolts after exposure to elevated temperature // Journal of Materials in Civil Engineering. 2018. Vol. 30. Iss. 10. https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002416.Yahyai M., Kodur V. R., Residual mechanical proper-ties of high-strength steel bolts after exposure to elevated temperature. Journal of Materials in Civil Engineering. 2018;30(10). https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002416.Daryan A. S., Ketabdari H. Mechanical properties of steel bolts with different diameters after exposure to high temperatures // Journal of Materials in Civil Engineering. 2019. Vol. 31. Iss. 10. Р. 04019221. https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002865.Daryan A. S., Ketabdari H. Mechanical properties of steel bolts with different diameters after exposure to high temperatures. Journal of Materials in Civil Engineering. 2019;31(10):04019221. https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0002865.Ibrahim R. A., Pettit C. L. Uncertainties and dynamic problems of bolted joints and other fasteners // Journal of Sound and Vibration. 2005. Vol. 279. Iss. 3-5. P. 857–936. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2003.11.064.Ibrahim R. A., Pettit C. L. Uncertainties and dynamic problems of bolted joints and other fasteners. Journal of Sound and Vibration. 2005;279(3-5):857-936. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2003.11.064.Imamovic N., Hanafi M. Assessment of uncertainty quantification of bolted joint performance // Model Validation and Uncertainty Quantification: Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series / eds. R. Barthorpe, R. Platz, I. Lopez, B. Moaveni, C. Papadimitriou. Cham: Springer, 2017. Vol. 3. P. 145–157. https://doi.org/10.1007/978-3-319-54858-6_15.Imamovic N., Hanafi M. Assessment of uncertainty quantification of bolted joint performance. In: Barthorpe R., Platz R., Lopez I., Moaveni B., Papadimitriou C. (eds.). Model Validation and Uncertainty Quantification: Confer-ence Proceedings of the Society for Experimental Mechan-ics Series. Cham: Springer; 2017, vol. 3, р. 145-157. https://doi.org/10.1007/978-3-319-54858-6_15.Shah V. N. Uncertainty of preloads in closure bolts for transportation casks for hazardous and radioactive materials // ASME 2008 Pressure Vessels and Piping Conference (Chicago, Illinois, 27–31 July 2008). Chicago, Illinois, 2008. Vol. 7. P. 215–223. https://doi.org/10.1115/PVP2008-61360.Shah V. N. Uncertainty of preloads in closure bolts for transportation casks for hazardous and radio-active mate-rials. In: ASME 2008 Pressure Vessels and Piping Confer-ence. 27–31 July 2008, Chicago, Illinois. Chicago, Illinois; 2008, vol. 7, p. 215-223. https://doi.org/10.1115/PVP2008-61360.Lin Qingyuan, Zhao Yong, Sun Qingchao, Chen Kunyong. Reliability evaluation method of anti-loosening performance of bolted joints // Mechanical Systems and Signal Processing. 2022. Vol. 162. Р. 108067. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2021.108067.Lin Qingyuan, Zhao Yong, Sun Qingchao, Chen Kunyong. Reliability evaluation method of anti-loosening performance of bolted joints. Mechanical Systems and Signal Processing. 2022;162:108067. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2021.108067.Zhao Yongsheng, Fu Huirong, Wang Lixia, Wu Hongchao, Li Shunlei. Research on design method of timevarying uncertainty of bolted connections // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2019. Vol. 612. Iss. 3. Р. 032077. https://doi.org/10.1088/1757-899X/612/3/032077.Zhao Yongsheng, Fu Huirong, Wang Lixia, Wu Hongchao, Li Shunlei. Research on design method of time-varying uncertainty of bolted connections. In: Materials Science and Engineering: IOP Conference Se-ries. 2019;612(3):032077. https://doi.org/10.1088/1757-899X/612/3/032077.Zhang Lin, Wang Meng, Zhao Hongbo, Chang Xu. Uncertainty quantification for the mechanical behavior of fully grouted rockbolts subjected to pull-out tests // Computers and Geotechnics. 2022. Vol. 145. Р. 104665. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2022.104665.Zhang Lin, Wang Meng, Zhao Hongbo, Chang Xu. Uncertainty quantification for the mechanical behavior of fully grouted rockbolts subjected to pull-out tests. Computers and Geotechnics. 2022;145:104665. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2022.104665.Ruan M. The variability of strains in bolts and the effect on preload in jointed structure. Houston, Texas, 2019.Ruan M. The variability of strains in bolts and the effect on preload in jointed structure. Houston, Texas; 2019.Benmokrane B., Xu Haixue, Bellavance E. Bond strength of cement grouted glass fibre reinforced plastic (GFRP) anchor bolts // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1996. Vol. 33. Iss. 5. P. 455–465. https://doi.org/10.1016/0148-9062(96)00006-X.Benmokrane B., Xu Haixue, Bellavance E. Bond strength of cement grouted glass fibre reinforced plastic (GFRP) anchor bolts. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. 1996;33(5):455-465. https://doi.org/10.1016/0148-9062(96)00006-X.Петров В. А., Хамханова Д. Н. Оценивание неопределенности измерений при поверке вольтметра Э8030- М1 // Образование и наука. Секция: Обеспечение и контроль качества продукции и услуг: матер. Национальной науч.-практ. конф. (г. Улан-Удэ, 15 апреля 2021 г.). Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2021. С. 33–38.Petrov V. A., Khamkhanova D. N. Estimation of measurement uncertainty when checking the E8030-M1 voltmeter. In: Obrazovanie i nauka. Sekciya: Obespeche-nie i kontrol' kachestva produkcii i uslug: materialy Nacion-al'noj nauchno-prakticheskoj konferencii = Education and Science. Section: Quality management of products and services: materials of the National scientific and practical conference. 15 April 2021, Ulan-Ude. Ulan-Ude: Siberia State University of Technology and Management; 2021, р. 33-38. (In Russ.).Петров В. А., Хамханова Д. Н. Оценивание неопределенности измерений при поверке вольтметра Д5081 // Образование и наука. Секция: Обеспечение и контроль качества продукции и услуг: матер. Национальной науч.-практ. конф. (г. Улан-Удэ, 15 апреля 2021 г.). Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2021. С. 4–10.Petrov V. A., Khamkhanova D. N. Estimation of meas-urement uncertainty when checking the D5081 voltmeter. In: Obrazovanie i nauka. Sekciya: Obespechenie i kontrol' kachestva produkcii i uslug: materialy Nacional'noj nauchno-prakticheskoj konferencii = Education and Sci-ence. Section: Quality management of products and ser-vices: materials of the National scientific and practical con-ference. 15 April 2021, Ulan-Ude. Ulan-Ude: Siberia State University of Technology and Management; 2021, р. 4-10. (In Russ.).Хамханова Д. Н., Сундарон Э. М. Источники неопределенности при поверке мерной стеклянной колбы // Advances in Science and Technology: сб. ст. XXVI Междунар. науч.-практ. конф. (г. Москва, 31 января 2020 г). Москва: ООО «Актуальность.РФ», 2020. Т. I. С. 157–159.Khamkhanova D. N., Sundaron E. M. Sources of un-certainty when verifying a volumetric glass bulb. In: Ad-vances in Science and Technology: sbornik statej XXVI Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii = Col-lected articles of the 26th International scientific and practi-cal conference. 31 January 2020, Moscow. Moscow: OOO “Aktual'nost'. RF”; 2020, vol. 1, р. 157-159. (In Russ.).Зандраев А. Б., Хамханова Д. Н. Оценивание неопределенности измерений при поверке весов электронных ET-1200-E // Качество как условие повышения конкурентоспособности и путь к устойчивому развитию: материалы Региональной науч.-практ. конф. (г. УланУдэ, 26–28 ноября 2018 г.). Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2018. С. 68–74.Zandraev A. B., Khamkhanova D.N. Estimation of measurement uncertainty when verifying ET-1200-E elec-tronic scales. In: Kachestvo kak uslovie povysheniya konkurentosposobnosti i put' k ustojchivomu razvitiyu: ma-terialy Regional'noj nauchno-prakticheskoj konferencii = Quality as a condition for increasing competitiveness and the path to sustainable development: materials of the re-gional scientific and practical conference. 26–28 November 2021, Ulan-Ude. Ulan-Ude: Siberia State University of Technology and Management; 2018, р. 68-74. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.