Fixture design for high-strength fasteners and the effect of surface clearance on test results

In this study, the effects of fixture designs and surface clearance tolerances on test results were investigated for the shear performance of high-strength fasteners, such as 7075-T6 aluminum, which are of critical importance in aerospace assemblies. With reference to ISO 8749 (maximum clearance of 0.15 mm) and NASM 1312-13 (maximum clearance of 0.0125 mm), the performance of compression-type and tension-type fixtures was comparatively evaluated using the Finite Element Method. The analyses were conducted in ANSYS 2025, employing mesh sizes of 0.6 mm for the pin, 0.8 mm for the hole surfaces, and 0.05 mm for the shear region. For fixture material selection, AISI 4140, Toolox 40, and AISI 4340 steels were assessed; AISI 4140 was found to be sufficient to meet the target yield strength criterion of 1.5 times the tensile strength of 7075-T6 aluminum. According to the simulation results, undesired stress levels on the order of 500 MPa were observed on surfaces outside the shear plane in the tension-type fixture. Consequently, the compression-type fixture, which concentrates stresses more effectively on the shear plane, was preferred. To examine the effect of tolerance between the fixture walls, analyses were performed for clearance scenarios of 0.3 mm and 0.025 mm. For these two clearance values, the maximum von Mises stresses were calculated as 641 MPa and 643 MPa, respectively, while the maximum shear stresses were 370.42 MPa and 370.95 MPa. These results, obtained for an 8 × 28 mm pin geometry, indicate that tolerance tightness does not lead to a statistically significant difference in stress outcomes. Consequently, it was concluded that ISO-compliant designs with relatively looser tolerances can be employed to reduce manufacturing costs without compromising test reliability.

Bu çalışmada, havacılık montajlarında kritik öneme sahip 7075 T6 alüminyum gibi yüksek mukavemetli bağlantı elemanlarının kesme performansı için fikstür tasarımları ve yüzey açıklığı toleranslarının test sonuçlarına etkisi incelenmiştir. ISO 8749 (maksimum 0,15 mm açıklık) ve NASM 1312-13 (maksimum 0,0125 mm açıklık) standartları referans alınarak, basma ve çekme tipi fikstürlerin performansı Sonlu Elemanlar Yöntemi ile karşılaştırılmıştır. Analizler ANSYS 2025 yazılımında, pin için 0,6 mm, delik yüzeyleri için 0,8 mm ve kesme bölgesi için 0,05 mm mesh boyutları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Fikstür malzemesi seçiminde AISI 4140, Toolox 40 ve AISI 4340 çelikleri değerlendirilmiş; 7075 T6’nın çekme dayanımının 1,5 katı akma dayanımı hedefini sağlayan AISI 4140 yeterli bulunmuştur. Simülasyon sonuçlarına göre, çekme tipi fikstürde kesme düzlemi dışındaki yüzeylerde 500 MPa mertebesinde istenmeyen gerilmeler gözlemlenmiş, bu nedenle gerilmeyi kesme düzlemine daha iyi odaklayan basma tipi fikstür tercih edilmiştir. Fikstür duvarları arasındaki toleransın etkisini incelemek amacıyla yapılan analizlerde, 0.3 mm ve 0.025 mm açıklık senaryoları kıyaslanmıştır. Bu iki açıklık değeri için maksimum Von Mises gerilmeleri sırasıyla 641 MPa ve 643 MPa; maksimum kayma gerilmeleri ise 370.42 MPa ve 370.95 MPa olarak hesaplanmıştır. 8x28 mm pin geometrisi için elde edilen bu veriler, tolerans sıkılığının gerilme sonuçlarında anlamlı bir fark yaratmadığını göstermektedir. Sonuç olarak, imalat maliyetlerini düşürmek adına daha gevşek toleransa sahip ISO standardına uygun tasarımların kullanılabileceği belirlenmiştir.