Ny metode afslører løse bolte ved at lytte til tonen

Ny metode afslører løse bolte ved at lytte til tonen © DTU Ny metode afslører løse bolte ved at lytte til tonen

Det har været kendt praksis blandt skibsværftsarbejdere i generationer, at man kunne sikre sig, om en bolt var spændt, ved at slå på den med en hammer. Men tonen kunne kun afsløre, om bolten var løs eller spændt - ikke hvor meget den var spændt, forklarer civilingeniør og ph.d. Marie Brøns, der de sidste tre år har forsket i boltspændinger på DTU Mekanik:

»Det kan selvfølgelig virke lidt lavpraktisk at forske i boltspændin­ger, men grundlæggende er der meget, vi ikke forstår, når man spænder en konstruktion sammen med en bolt,« fortæller hun og peger meget oplagt på en vindmølle, der indeholder tusindvis af bolte.

Hvis en af dem sidder løs eller er spændt for meget, kan det få voldsomme konsekvenser. Som da en 127 meter høj Vestas-mølle juleaften i 2015 styrtede til jorden i en svensk skov. Relativt hurtigt blev det konkluderet, at årsagen var sjusk med spændingen af de bolte, som holder de enkelte tårnelementer sammen:

»Der sidder tusindvis af sådanne bolte i en vindmølle, og det er meget tidskrævende, hvis de løbende skal tjekkes. Måske viser det sig endda, at det kun er et fåtal af boltene, som skal efterspændes,« forklarer hun.

Derfor valgte hun også at sætte sig grundigt ind i, hvordan ­sådanne bolte – både i vindmøller og andre store konstruktioner – ­benyttes ude i industrien. Det foregik blandt andet på et AMU-kursus i ­Esbjerg i tilspænding af bolte på offshore-konstruktioner:

»En af de løsninger, man bruger i industrien, hvis man er i tvivl om, hvor spændt en bolt er, er at man løsner den og spænder den igen. Men det er naturligvis meget tidskrævende,« forklarer hun.

Med kurset i bagagen gik Marie Brøns i gang med at udvikle en ny metode, der ikke bare kunne fortælle, om bolten var spændt, men også hvor spændt den var.

Var ved at mistet modet

Udgangspunktet var førnævnte praksis omkring lyden af en bolt, man slår på – men i stedet for at bruge en hammer valgte hun et piezo­elektrisk element til at sende en lyd ind i en bolt, som var fastgjort i en forsøgsopstilling. Det fik bolten til at svinge som en guitarstreng, og Marie Brøns kunne så måle egenfrekvenserne. Og for de indviede i den type beregninger handler det om at løse en fjerdeordens Euler-Bernoulli differentialligning.

Men nu opstod der et problem; For godt nok kunne Marie Brøns beregne, hvor fastspændt en bolt var, men beregningerne var afhængige af boltens materiale og dimensioner. Det havde også en stor betydning, hvilken samling bolten sad i.

Hun skulle altså udføre forsøg med hver eneste type bolt, industrien brugte, i hver enkelt type samling ved mange forskellige boltspændingsniveauer for at få en referencekurve. Helt urealistisk i praksis, hvis industrien skulle have nogen nytte af det:

»Jeg var halvandet år inde i min ph.d. og må indrømme, at det var ved at tage modet fra mig,« fortæller hun.

Men så var det, at en idé opstod: Hun kendte egenfrekvensen for den enkelte bolt, så hvis man nu ­hægtede en ekstra møtrik med en kendt vægt på bolten, slog igen og målte egenfrekvens, så kunne man trække de to målinger fra ­hinanden. Hvis bolten var spændt rigtigt fast, ville det kun være boltens skaft mellem hovedet og møtrikken, som svingede - den ekstra vægt ville altså ikke ændre på egenfrekvensen. Hvis bolten derimod ikke var spændt ordentligt, ville den ekstra vægt svinge med og forskellen i egenfrekvens give en relativ værdi for, hvor spændt bolten er:

»Det var helt sikkert et eureka-øjeblik,« husker Marie Brøns.

Skulle regne baglæns

Arbejdet var dog langtfra færdigt. Målingerne skulle oversættes til en aktuel boltspænding, og det krævede en matematisk model. For der er også andre ting, ud over boltspændingen, som styrer egenfrekvensen – det gælder for eksempel kontaktfladen mellem bolthovedet og den fastspændte struktur, som er afhængig både af geometri og materialer.

For at være 100 procent sikker på, at den frekvens, som måleproben opfangede fra bolten, også var rigtig, blev det eftertjekket med en laser, som kunne ‘kigge’ ned direkte på bolten i forsøgopstillingen.

Med de fysiske målinger på plads, kunne Marie Brøns regne ­‘baglæns’ og skrue på den matematiske models mange ‘knapper’, indtil den forudsagde den samme ændring i egenfrekvens, som ­målingerne ­viste. Og dermed havde hun en ­model, som kan bruges til at beregne spændingen for andre bolte med en usikkerhed på cirka plus-minus fem procent:

Lige nu eksisterer måleapparatet og beregningsmodellen kun i laboratoriet på DTU Mekanik, men der er søgt patent på metoden, og Marie Brøns håber da, at den vil blive udviklet til et konkret værktøj:

»Et af mine mål med at blive ingeniør og skrive ph.d. har jo været at bidrage til den grønne omstilling. Derfor er det meget ­tilfredsstillende, hvis jeg med den her metode kan gøre det bedre og billigere,« siger hun.

Og forskerkarrieren? Den fortsætter med en postdoc, og som hun siger: »Helst noget med metal, som svinger«.

Marie Brøns’ ph.d.-projekt var støttet af Danmarks Frie Forskningsfond. Arbejdet er udført på DTU Mekanik med lektor, dr.techn. Jon Juel Thomsen som hovedvejleder. Projektet deltog i Ph.d. Cup 2021, hvor det var blandt de fem finalister.

Ny metode afslører løse bolte ved at lytte til tonen