Evaluation and Development of Fatigue Design Methods for Tightening Bolts

Abstract

This thesis investigates fatigue assessment of tightening bolts in gasketed plate
heat exchangers, with particular focus on the discrepancy between conservative
code-based predictions and the long service lives observed in practice. The work
addresses two fatigue contributions: high-cycle operational loading and larger-amplitude assembly loading. For the operational loading, the study examines whether the statistical interpretation of existing bolt fatigue data may be overly conservative. For the assembly loading, a local strain-based assessment route is explored using analytical modelling and finite element analysis. A structured literature review, finite element modelling, and a proposed experimental test strategy are combined to establish a technically defensible basis for a more representative fatigue evaluation of tightening bolts in this application.

Abstract (Swedish)

Detta examensarbete behandlar utmattningsbedömning av åtdragningsbultar i
packningsförsedda plattvärmeväxlare, med särskilt fokus på skillnaden mellan konservativa kodbaserade livslängdsprognoser och den långa livslängd som observerats i praktiken. Arbetet behandlar två utmattningsbidrag: högcyklisk driftbelastning och monteringsbelastning med större amplitud. För driftbelastningen undersöks om den statistiska tolkningen av befintliga utmattningsdata för bultar är onödigt konservativ. För monteringsbelastningen studeras i stället en lokal töjningsbaserad metod med hjälp av analytisk modellering och finita elementanalys. Genom en strukturerad litteraturstudie, finita elementmodellering och ett föreslaget experimentellt testupplägg etableras en tekniskt välgrundad grund för en mer representativ utmattningsbedömning av åtdragningsbultar i denna tillämpning.

Popular Abstract

Gasketed plate heat exchangers are massive, critical machines used in everything from food processing to global energy production. Holding these heavily pressurized systems together is a set of large, high-strength tightening bolts. These bolts endure extreme forces: during assembly, they are tightened so hard that the metal at the root of the threads actually deforms. Then, during everyday operation, they are subjected to thousands of tiny, high-frequency pressure fluctuations.

If you calculate the lifespan of these bolts using the standard European design codes, the math delivers a grim verdict: the bolts should fail prematurely. Yet, looking at decades of real-world industrial data, they simply don't. They survive for years without issue. So, why is the rulebook wrong?

This thesis solves that mystery by abandoning the macroscopic, traditional rules and looking at the microscopic physics inside the bolt threads.

The standard design codes assume that metal always behaves perfectly elastically, like a simple rubber band. But using advanced computer simulations (Finite Element Analysis), this research reveals a completely different reality. Because the tightening force during assembly is so extreme, the very bottom of the bolt’s thread permanently yields.

The magic happens when the heat exchanger is unloaded for maintenance. The massive, un-yielded core of the bolt snaps back to its original shape, acting like a "giant spring." As it snaps back, it forcefully crushes that tiny, yielded thread root, locking it into a state of deep, permanent compression.

This residual compression acts as an invisible, protective shield. It tightly locks the thread in place so that the tiny, everyday pressure fluctuations of the machine barely affect the metal at all—a phenomenon known as "elastic shakedown."

By proving that this extreme initial tightening actually protects the fastener rather than destroying it, this research shows that the bolts can withstand over 270,000 cycles, rather than the meager 2,000 predicted by the code. Ultimately, this allows engineers to safely rethink how they design these massive machines, unlocking hidden structural capacity, reducing material waste, and proving that sometimes, a component's greatest strength is hidden in its microscopic deformations.

Popular Abstract (Swedish)

Packningsförsedda plattvärmeväxlare är enorma och samhällskritiska maskiner som används inom allt från livsmedelsproduktion till global energiutvinning. Dessa system, som arbetar under högt tryck, hålls ihop av stora och oerhört starka åtdragningsbultar. Bultarna utsätts för extrema krafter: vid monteringen dras de åt så hårt att metallen i gängbotten faktiskt deformeras. Därefter, under daglig drift, utsätts de för tusentals små, högfrekventa tryckvariationer.

Om man beräknar livslängden för dessa bultar med hjälp av europeiska standardiserade designkoder får man en dyster prognos: bultarna borde gå sönder i förtid. Men årtionden av industriell erfarenhet visar det motsatta – de håller i åratal utan problem. Så varför har regelboken fel?

Detta examensarbete löser det mysteriet genom att frångå de traditionella, makroskopiska beräkningsreglerna och i stället studera den mikroskopiska fysiken djupt inne i bultens gängor.

De vanliga designkoderna utgår från att metall alltid beter sig helt elastiskt, som ett perfekt gummiband. Men genom avancerade datorsimuleringar (finita elementanalys) avslöjar denna studie en helt annan verklighet. Eftersom åtdragningskraften vid monteringen är så extrem, ger metallen i gängans absoluta botten vika och deformeras plastiskt.

Det verkligt fascinerande sker när värmeväxlaren sedan avlastas för underhåll. Den massiva, inre delen av bulten, som inte har deformerats, fjädrar tillbaka till sin ursprungliga form och fungerar som en "gigantisk fjäder". När den fjädrar tillbaka pressar den ihop den deformerade gängbotten med en enorm kraft, vilket låser den i ett tillstånd av djupa, kvarstående tryckspänningar.

Dessa tryckspänningar fungerar som en osynlig, skyddande sköld. Den låser fast gängan så hårt att de små tryckvariationerna under normal drift knappt påverkar metallen överhuvudtaget – ett fenomen som kallas för "elastisk shakedown".

Genom att bevisa att den extrema första åtdragningen faktiskt skyddar bulten i stället för att förstöra den, visar denna forskning att bultarna kan klara över 270 000 lastcykler, i stället för de futtiga 2 000 som regelboken förutspår. I slutändan ger detta ingenjörer möjligheten att på ett säkert sätt omvärdera hur dessa massiva maskiner designas. Det frigör dold strukturell kapacitet, minskar materialsvinn och bevisar att en komponents största styrka ibland döljer sig i dess mikroskopiska deformationer.

• author: Nguyen, Tony
• supervisor: Erik Jakobsson; Daniel Hård; Anders Luning
• organization: Solid Mechanics; Department of Construction Sciences
• course: FHLM01 20261
• year: 2026
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Fatigue Analysis, Tightening Bolts, High-Strength Fasteners, Gasketed Plate Heat Exchangers, Elastoplasticity, Elastic Shakedown, Residual Stress, Strain-Life Method, Finite Element Analysis (FEA), EN 13445
• language: English
• id: 9231837
• date added to LUP: 2026-08-12 09:25:50
• date last changed: 2026-08-12 09:25:50