Numerical study of the prestressed connectors and their distribution on the strength of a single Lap, a double lap and hybrid joints subjected to uniaxial tensile test

• Autorzy: Sadowski T. , Golewski P.

Warianty tytułu

PL

Badania numeryczne docisku w łącznikach oraz ich rozmieszczenia na wytrzymałość połączeń zakładkowych, dwunakładkowych i hybrydowych poddanych jednoosiowemu rozciąganiu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Prestressed joints are widely used in construction using connectors in the form of screws, whose task is to strong clamping of joined parts, thereby the internal forces in joint are transferred by surface friction contact of the elements. In the automotive and aerospace industries hybrid joints are more widely applied. Mechanical connectors are added to the adhesive joint in form of rivets, screws or clinch increasing its strength properties. The aim of this study was to determine how the prestressed connectors influence the mechanical response of hybrid, single and double lap joints. The influence of different distribution of the connectors was also investigated. Numerical study was conducted in ABAQUS program. Mechanical connectors were modeled by using fasteners, that allowed for a considerable simplification of the numerical model. In their application, there is no need for an additional submodels for connectors in the form of the rivet or the bolt. Prestressing is activated by direct application of the force to the connector. In the numerical examples the authors assumed that the diameter of the mechanical connectors was equal to 6mm and shear strength was equal 1kN. Adhesive layers were modeled by using cohesive elements for which maximum shear stresses and fracture energy were specified. The layer thickness was assumed to be equal 0.1mm and it was initially removed from the areas where mechanical connectors were placed. Two types of joints were analysed in the study: the single lap joint with lap dimensions 40x40mm as well as the double lap joint with lap dimensions 40x20mm, from which it results that theoretical strength of both connections should be the same. The prestressing of connectors was introduced by the force 1.5kN. For all pure - mechanical joints and for single lap joints positive effects were obtained. For double lap joints additional prestressing did not significantly affect for their strength. The influence of distribution of mechanical connectors was additionally analyzed by consideration of three configurations, where the rows of rivets were located at distances of 5, 10 and 15mm from the lap edge. The maximum increase of the load capacity by 24% was achieved for single lap joint as well as 35.7% for double lap joint. The obtained numerical results indicate the positive effects of additional pressure and allows for practical suggestions how to correct and optimize spacing distance of mechanical connectors in hybrid joints to get better mechanical response.

PL

Połączenia sprężone są szeroko stosowane w budownictwie przy wykorzystaniu łączników w postaci śrub, których zadaniem jest silne docisnięcie do siebie łączonych elementów, wskutek czego siły w złączu są przenoszone dzięki tarciu stykających się powierzchni tych elementów. W przemyśle samochodowym i lotniczym coraz powszechniej stosuje się połączenia hybrydowe. Do złącza klejowego wprowadzane są łączniki w postaci nitów, śrub lub przetłoczeń podnosząc jego cechy wytrzymałościowe. Celem przeprowadzonych badań było określenie jak wpływa sprężenie łączników w połączeniach hybrydowych w złączach zakładkowych oraz dwunakładkowych także przy różnym rozmieszczeniu łączników. Badania numeryczne były przeprowadzone w programie Abaqus. Połączenia mechaniczne były modelowane przy użyciu tzw. fastenerów, które pozwalają na znaczne uproszczenie budowy modelu. Przy ich zastosowaniu nie ma potrzeby wykonywania dodatkowego modelu w postaci łącznika - nitu lub śruby. Sprężenie jest natomiast wywoływane poprzez bezpośrednie podanie wartości siły wystepującej w łączniku. Dla łączników mechanicznych została podana siła powodująca ściecie o wartości 1kN a ich średnica wynosiła 6mm. Warstewka kleju była modelowana przy użyciu elementów kohezyjnych dla których zostały określone maksymalne naprężenia styczne oraz energia zniszczenia. Grubość warstewki wynosiła 0,1mm i wstępnie została ona usunięta z obszarów w których występowały łączniki mechaniczne. Badaniom poddano dwa typy połączeń: zakładkowe o wymiarach zakładki 40x40mm oraz dwunakładowe o wymiarach zakładek 40x20mm z czego wynika fakt, że teoretycznie wytrzymałość na ścinanie obu połączeń powinna być jednakowa. Analizowano połączenia sprężone siłą 1,5kN uzyskując pozytywne efekty dla wszystkich połączeń czysto - mechanicznych oraz dla połączeń zakładkowych. Dla połączeń dwunakładkowych sprężanie nie wpływa znacząco na ich wytrzymałość. Dodatkowo w pracy analizowano wpływ rozmieszczenia łączników mechanicznych rozważając trzy konfiguracje, gdzie rzędy nitów znajdowały się w odległościach 5, 10 i 15mm od granicy zakładki. Uzyskano tym samym maksymalny wzrost nośności o 24% dla połączeń zakładkowych oraz o 35,7% dla dwunakładkowych. Wykonane prace świadczą o pozytywnych skutkach sprężania połączeń a także dają wskazówki do prawidłowego - bardziej optymalnego wytrzymałościowo rozmieszczania łączników mechanicznych w połączeniach hybrydowych.

Słowa kluczowe

EN

prestressed connectors; numerical analysis; single lap joint; hybrid joint

PL

połączenie sprężone; analiza numeryczna; złącze zakładkowe; złącze dwunakładkowe; złącze hybrydowe

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 58, iss. 2
• Strony: 579--585
• Opis fizyczny: Bibliogr. 48 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Sadowski T.

• Politechnika Lubelska, 20-618 Lublin, 40 Nadbystrzycka Str., Poland

autor

Golewski P.

• Politechnika Lubelska, 20-618 Lublin, 40 Nadbystrzycka Str., Poland

Bibliografia

• [1] T. Sadowski, A. Neubrand, Estimation of the crack length after thermal shock in FGM strip, Int. J. Fract. 127, 135-140 (2004).
• [2] T. Sadowski, M. Boniecki, Z. Librant, K. Nakonieczny, Theoretical prediction and experimental verification of temperature distribution in FGM cylindrical plates subjected to thermal shock. Int. J. Heat and Mass Transfer 50, 4461-4467 (2007).
• [3] T. Sadowski, S. Ataya, K. Nakonieczny, Thermal analysis of layered FGMcylindrical plates subjected to sudden cooling process at one side - comparison of two applied methods for problem solution, Comp. Mater. Sci. 45, 624-632 (2009).
• [4] K. Nakonieczny, T. Sadowski, Modelling of thermal shock in composite material usingameshfree FEM, Comp. Mater. Sci. 44, 1307-1311 (2009).
• [5] T. Sadowski, K. Nakonieczny, Thermal shock response of FGMcylindrical plates with various grading patterns, Comput. Mat. Sci. 43, 171-178 (2008).
• [6] T. Sadowski, S. Hardy, E. Postek, Prediction of the mechanical response of polycrystalline ceramics containing metallic inter-granular layers under uniaxial tension. Comput. Mat. Sci. 34, 46-63 (2005).
• [7] T. Sadowski, S. Hardy, E. Postek, Anew model for the time-dependent behaviour of polycrystalline ceramic materials with metallic inter-granular layers under tension. Mat. Sci. Eng. A 424, 230-238 (2006).
• [8] T. Sadowski, E. Postek, Ch. Denis, Stress distribution due to discontinuities in polycrystalline ceramics containing metallic inter-granular layers. Comput. Mat. Sci. 39, 230-236 (2007).
• [9] T. Sadowski, T. Nowicki, Numerical investigation of local mechanical properties of WC/Co composite, Comput. Mat. Sci. 43, 235-241 (2008).
• [10] L. F. M. da Silva, P. J. C. das Neves, R. D. Adams, J. K. Spelt, Analytical models of adhesively bonded joints - Part I: Literature survey, Int. J. Adhes. & Adhes. 29, 319-330 (2009).
• [11] L. F. M.da Silva, P. J. C.das Neves, R. D. Adams, J. K. Spelt, Analytical models of adhesively bonded joints - Part II: Comparative study, Int. J. Adhes. & Adhes. 29, 331-341 (2009).
• [12] A. V. Pocius, Adhesion and adhesives technology, Hasner, New York (1997).
• [13] R. D. Adams, J. Comyn, W. C. Wake, Structural adhesive joints in engineering. 2nd ed. Chapman&Hall, London (1997).
• [14] L. F. M. da Silva, A. Ochsner (Eds), Modelling of adhesively bonded joints, Springer (2008).
• [15] L. F. M. da Silva, A. Ochsner, R. D. Adams, Handbook of Adhesion Technology, Springer (2011).
• [16] T. Sadowski, P. Golewski, Multidisciplinary analysis of the operational temperature increase of turbine blades in combustion engines by application of the ceramic thermal barrier coatings (TBC), Comp. Mater. Sci. 50, 1326-1335 (2011).
• [17] T. Sadowski, P. Golewski, The influence of quantity and distribution of cooling channels of turbine elements on level of stresses in the protective layer TBCand the efficiency of cooling, Comp. Mater. Sci. 52, 293-297 (2012).
• [18] T. Sadowski, P. Golewski, Detection and numerical analysis of the most efforted places in turbine blades under real working conditions, Comp. Mater. Sci. 64, 285-288 (2012).
• [19] T. Sadowski, P. Golewski, The analysis of heat transfer and thermal stresses in thermal barrier coatings under exploitation, Defect and Diffusion Forum 326-328, 530-535 (2012).
• [20] Z. Wu, J. Li, D. Timmer, K. Lorenzo, S. Bose, Study of processing variables on the electrical resistivity of conductive adhesives, Int. J. Adhes. & Adhes. 29, 488-494 (2009).
• [21] H. Zhao, T. Liang, B. Liu, Synthesis and properties of copper conductive adhesives modified by Si O2 nanoparticles, Int. J. Adhes. & Adhes. 27, 429-433 (2007).
• [22] L. F. M. da Silva, A. Ochsner, A. Pirondi (Eds), Hybrid adhesive joints, Springer (2011).
• [23] T. Sadowski, M. Knec, P. Golewski, Experimental investigations and numerical modelling of steel adhesive joints reinforced by rivets, Int. J. Adh&Adhes 30, 338-346 (2010).
• [24] T. Sadowski, P. Golewski, E. Zarzeka-Raczkowska, Damage and failure processes of hybrid joints: adhesive bonded aluminium plates reinforced by rivets, Comp. Mater. Sci. 50, 1256-1262 (2011).
• [25] S. M. H. Darwish, Science of weld-adhesive joints, in da Silva, L. F. M., Pirondi, A., Ochsner A. (Eds), Hybrid adhesive joints, (Springer, 2011) p. 1-36.
• [26] T. Sadowski, M. Knec, P. Golewski, Spot welding-adhesive joints: modelling and testing, J. Adhesion, (under review).
• [27] A. Pirondi, F. Moroni, Science of Clinch-Adhesive Joints, in Hybrid adhesive joints. Advanced Structured Materials, Volume 6, Springer 2011, L. F. M. da Silva, A. Pirondi, A. Oschner (Eds), 109-147.
• [28] J. Varis, Ensuring the integrity in clinching process. J. Mater. Proc. Technol. 174, 277-285 (2006).
• [29] J. Varis, J. Lepisto, Asimple testing-based procedure and simulation of the clinching process using finite element analysis for establishing clinching parameters. Thin Walled Struct. 41, 691-709 (2003).
• [30] M. Oudjenea, L. Ben-Ayed, On the parametrical study of clinch joining of metallic sheets using the Taguchi method, Engineering Structures 30, 1782-1788 (2008).
• [31] T. Sadowski, T. Balawender, Technology of Clinch - Adhesive Joints, in Hybrid adhesive joints. Advanced Structured Materials, Volume 6, Springer 2011, L. F. M. da Silva, A. Pirondi, A. O¨ schner (Eds), 149-176.
• [32] F. Moroni, A. Pirondi, F. Kleiner, Experimental analysis and comparison of the strength of simple and hybrid structural joints, Int. J. Adh&Adhes 30, 367-379 (2010).
• [33] T. Balawender, T. Sadowski, Experimental and numerical analyses of clinched and adhesively bonded hybrid joints, J. Adhes. Sci Technol. 25, 2391-2407 (2011).
• [34] T. Balawender, T. Sadowski, M. Knec, Technological problems and experimental investigation of hybrid: clinched - adhesively bonded joint, Arch. Metall. Mat. 56, 439-446 (2011).
• [35] E. Postek, T. Sadowski, Assessing the Influence of Porosity in the Deformation of Metal-Ceramic Composites, Composite Interfaces 18, 57-76 (2011).
• [36] V. Burlayenko, T. Sadowski, Influence of skin/core debonding on free vibration behaviour of foam and honeycomb cored sandwich plates, Int. J. Non-Linear Mechanics 45, 959-968 (2010).
• [37] V. Burlayenko, T. Sadowski, Analysis of structural performance of aluminium sandwich plates with foam-filled hexagonal foam, Comp. Mater. Sci. 45, 658-662 (2009).
• [38] L. Marsavina, T. Sadowski, Fracture parameters at bi-material ceramic interfaces under bi-axial state of stress. Comp. Mater. Sci. 45, 693-697 (2009).
• [39] T. Sadowski, L. Marsavina, N. Peride, E.-M. Craciun, Cracks propagation and interaction in an orthotropic elastic material: analytical and numerical methods, Comput. Mat. Sci. 46, 687-693 (2009).
• [40] L. Marsavina, T. Sadowski, Kinked cracks atabi-material ceramic interface - numerical determination of fracture parameters. Comput. Mat. Sci. 44, 941-950 (2009).
• [41] T. Sadowski, G. Golewski, Effect of aggregate kind and graining on modelling of plain concrete under compression, Comput. Mat. Sci. 43, 119-126 (2008).
• [42] G. Golewski, P. Golewski, T. Sadowski, Numerical modelling crack propagation under Mode IIfracture in plain concretes containing siliceous fly-ash additive using XFEMmethod, Comput. Mat. Sci. 62, 75-78 (2012).
• [43] K. Schiffner, C. Drostegen. Helling, Simulation of prestressed screw joints in complex structures, Computers & Structures 64, 5/6, 995-1003 (1997).
• [44] L. Champaney, J. Y. Cognard, P. Ladeveze, Modular analysis of assemblages of three-dimensional structures with unilateral contact conditions, Computers and Structures 73, 249-266 (1999).
• [45] M. Chishti, Ch. H. Wang, R. S. Thomson, A. C. Orifici, Numerical analysis of damage progression ond strength of countersunk composite joints, Composite Structures 94, 643-653 (2012).
• [46] Ch. S. Hansen, J. W. Schmidt, H. Stang, Transversely compressed bonded joints, Composites: Part B 43, 691-701 (2012).
• [47] T. Balawender, T. Sadowski, P. Golewski, Numerical analysis and experiments of the clinch-bonded joint subjected to uniaxial tension, Computational Materials Science 64, 270-272 (2012).
• [48] P. Golewski, G. L. Golewski, Analiza numeryczna połączenia śrubowego żebra z podciągiem z wykorzystaniem programu Abaqus, Materiały Budowlane 12, 38-39 (2009).