FEM design of composite - metal joint for bearing failure analysis

• Autorzy: Puchała K. , Szymczyk E. , Jachimowicz J.

Warianty tytułu

PL

Analiza projektowa MES połączenia kompozytowo-metalowego przeznaczonego do badań na naciski

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Stałe dążenie do uzyskania jak najmniejszej masy samolotu jest powodem stosowania w konstrukcjach lotniczych materiałów o wysokiej wytrzymałości i sztywności właściwej. Wysokowytrzymałe stale, stopy tytanu lub stopy aluminium (np. 2024T3) oraz laminaty kompozytowe (np. CFRP, Glare) są przykładami takich materiałów. Stosowanie różnorodnych materiałów na struktury lotnicze wymusza konieczność łączenia części metalowych z kompozytowymi. Stosuje się różne techniki łączenia pokryć płatowca z elementami usztywniającymi: mechaniczne (połączenia nitowane, śrubowe), adhezyjne (klejenie, okazjonalnie zgrzewanie), hybrydowe (w którym zastosowano kombinacje dwóch różnych metod). W przypadku połączeń mechanicznych konieczne jest wykonywanie otworów, które stanowią miejsca silnych koncentracji naprężeń decydujących o wytrzymałości całej konstrukcji. Połączenia mechaniczne jako stosowane od dziesięcioleci odznaczają się wysokim poziomem niezawodności. Połączenia mechaniczne można wykonywać oraz użytkować w trudnych warunkach środowiskowych. Celem pracy jest projekt mechanicznego połączenia metal-kompozyt oraz analiza niszczenia elementu kompozytowego. Analizowano dwucięte połączenie śrubowe. Przeprowadzono obliczenia analityczne oraz numeryczne.

EN

The constant attempt to obtain as low aircraft mass as possible is the reason for using material of high specific strength (or stiffness) in the aerospace industry. High strength steels, titanium or aluminium alloys (e.g. 2024T3) and composite laminates (e.g. CFRP or Glare) are the examples of such materials. Dissimilar materials in aircraft structures provide a necessity of composite and metallic components joining. Various techniques are used to connect the skin with the stiffening elements: mechanical (riveting, bolting), adhesive (bonding and occasionally welding) and hybrid (where both above mentioned methods are used). Making holes is a necessity for mechanical joints. The holes are the areas of high stress concentrations and they determine load capability of the whole structure. However, mechanical joints used for decades are proved to be reliable. They can be assembled and applied in very rough conditions since they are less sensitive to environmental effects. The goal of the work is development of a mechanical metal-composite joint and failure analysis of the composite part. The double-shear joint is analysed. Both analytical and numerical calculations are performed.

Słowa kluczowe

PL

kompozyty; połączenia mechaniczne; MES

EN

composites; mechanical joint; FEM

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT ; Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego
• Czasopismo: Przegląd Mechaniczny
• Rocznik: 2015
• Tom: nr 2
• Strony: 33--41
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., il., tab., wykr.

Twórcy

autor

Puchała K.

• Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej WAT, ul. Gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

autor

Szymczyk E.

• Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej WAT, ul. Gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

autor

Jachimowicz J.

• Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej WAT, ul. Gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

Bibliografia

• 1. http://www.flightglobal.com/.
• 2. http://911review.com/reviews/physics911/missing_wings/missingwings_files/boeing2.jpg.
• 3. Ashby M.F.: Dobór materiałów w projektowaniu inżynierskim. WNT, Warszawa 1998.
• 4. Roeseler W.G., Sarh B., Kismarton M.U.: Composite structures: the first 100 years [in:] Proceedings of the 16th International Conference on Composite Materials (on CD), Kyoto, Japan, 2007.
• 5. http://www.boeing.com.
• 6. Mikulik Z, Haase P.: Composite Damage Metrics and Inspection CODAMEIN, Final Report (EASA.2010.C13), Bishop GmbH - Aeronautical Engineers, Hamburg, Germany, 2012.
• 7. Camanho P.P., Matthews F.L: Stress and strength prediction of mechanically fastened joints in FRP: a review. Composites, Part A 28A,1997, pp. 529 - 547.
• 8. Dano M-L, Kamal E., Gendron G.: Analysis of Bolted joint in composite laminates: Strain and bearing stiffness prediction. Composite Structures, 79, 2005, pp. 562 - 570.
• 9. Xiao Y., Ishikawa T.: Bearing strength and failure behavior of bolted composite joints (Part I: Experimental investigation). Composite Science and technology, 65, 2005, pp. 1022 - 1031.
• 10. Xiao Y., Ishikawa T.: Bearing strength and failure behavior of bolted composite joints (Part I: Modeling and simulation). Composite Science and technology, 65, 2005, pp. 1032 - 1043.
• 11. Huhne C, Zerbst A.-K., Kuhimann G., Steenbock C, Rolfes R.: Progressive damage analysis of composite bolted joints with liquid shim layers using constant and continuous degradation models. Composite Structures, 93, 2010, pp. 189 - 200.
• 12. Chisthi M., Wang Chun H., Thomson Rodney S., Orifici Adrian C: Numerical analysis of damage progression of countersunk composite joints. Composite Structures, 94, 2012, pp. 643 - 653.
• 13. Kapti S., Sayman O., Ozen M., Benii S.: Experimental and numerical failure analysis of carbon/epoxy laminated composite joints under different conditions. Materials and Design, 31, 2010, pp. 4933 - 4942.
• 14. Puchała K., Szymczyk E., Jachimowicz J.: About mechanical joints design in metal-composite structure. Journal of KONES, 19, 3, 2012, pp. 381 - 390.
• 15. Fink A., Camanho P.P., Andres J.M., Pfeiffer E., Obst A.: Hybrid CFRP/titanium bolted joints: Performance assessment and application to a spacecraft payload adaptor. Composites Science and Technology, 70, 2010, pp. 305 - 317.
• 16. CS 23 (Certification Specifications). European Aviation Standards Agency, Brussels, 2003.
• 17. www.matweb.com.
• 18. Astachow M.F., Karawajew A.W., Makarów S.J., Suzdajew J.J.: Sprawocznaja kniga po razczotu samolota na procznost. Oborongiz, Moskwa 1954.
• 19. McCarthy C.T., McCarthy M.A., Gilchrist M.D.: Predicting Failure in Multi-bolt Composite Joints using Finite Element Analysis and Bearing-bypass Diagram. Key Engineering Materials, Vols. 293 -294, 2005, pp. 591 - 598.
• 20. 0'Higgins R.M., McCarthy M.A., McCarthy C.T.: Comparison of open hole tension characteristics of high strength glass and carbon fibre-reinforced composite materials. Composites Science and Technology 68, 2008, pp. 2770 - 2778.
• 21. MSC.Marc. Theory and User Information. MSC Corp., Santa Ana 2010.
• 22. McCarthy M.A., McCarthy C.T., Lawlor V.P., Stanley W.F.: Three-dimensional finite element analysis of single-bolt, single-lap composite bolted joints: part I - model development and validation, Composite structures, 71, 2004, pp. 140-158.
• 23. Tserpes K.I., Labeas G., Papanikos P., Kermanidis Th.: Strength prediction of bolted joints in graphite/epoxy composite laminates. Composites Part B, 33, 2002, pp. 521 - 529..
• 24. Hashin Z.: Failure Criteria for Unidirectional Fiber Composites. Journal of Applied Mechanics, 47, 1980; pp. 329 - 34.