Strength tests of repair joints loaded with tension and loss of stability

• Autorzy: Barca Iga , Godzimirski Jan , Rośkowicz Marek

Identyfikatory

DOI

10.7862/tiam.2024.4.1

Warianty tytułu

PL

Badania wytrzymałości węzłów naprawczych obciążonych na rozciąganie i utratę stateczności

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

During aircraft service, the skin is the component that first comes into contact with factors that can cause mechanical damage - that is why it is most often damaged during use. Semi-monocoque aircraft structures are made of a skin and a frame. The skin is an element that significantly affects the safety of the structure, since it transfers loads between the elements of the frame. For this reason, the skin is subject to special supervision during technical maintenance, and any damage detected must be repaired. The research was carried out on specimens made of AW 2024-T3 plate sheet with a thickness of 1 mm. In the study, a comparative analysis of damaged, undamaged and repaired specimens loaded in tension and compression was performed. Different patches were used in repaired specimens, made of metallic as well as composite materials, connected to the structure with rivets or using adhesive materials. The study showed that the use of riveted as well as adhesively bonded overlays does not allow the original strength of the tensile-loaded skin to be restored, but does allow the strength of the compression-loaded skin to be restored. In addition, numerical simulations were performed to define the stress field occurring in the adhesive joint for different geometric dimensions of the plate. The results of the numerical analysis showed that the geometry of the plate model influences the values of reduced stresses in the adhesive weld and the patch. Regardless of the analyzed changes in the geometry of the plate model, the maximum values of reduced stresses are similar to each other. The smallest values of reduced stresses in the adhesive joint and composite patch were obtained for the case of a plate with a thickness of 1 mm and a width of 160 mm.

PL

Podczas eksploatacji statków powietrznych pokrycie jest elementem, który w pierwszej kolejności ma kontakt z czynnikami mogącymi wywołać uszkodzenie mechaniczne - stąd najczęściej ulega uszkodzeniu podczas eksploatacji. Konstrukcje półskorupowe statków powietrznych wykonane są z pokrycia i szkieletu. Pokrycie jest elementem, który istotnie wpływa na bezpieczeństwo konstrukcji, ponieważ przenosi obciążenia pomiędzy elementami szkieletu. Z tego powodu pokrycie podlega szczególnemu dozorowi podczas przeglądów technicznych, a wykryte uszkodzenia muszą być naprawione. Badania prowadzono na próbkach wykonanych z arkusza blachy AW 2024-T3 o grubości 1 mm. W pracy wykonano analizę porównawczą próbek uszkodzonych, nieuszkodzonych i naprawionych próbkach obciążanych na rozciąganie i ściskanie. W próbkach naprawianych zastosowano różne nakładki, wykonane z materiałów metalowych jak i kompozytowych, łączonych ze strukturą nitami lub z wykorzystaniem tworzyw adhezyjnych. Badania wykazały, że zastosowanie nakładek nitowanych jak i klejonych nie umożliwiają odtworzenia pierwotnej wytrzymałości pokrycia obciążonego na rozciągania, ale umożliwiają odtworzenie wytrzymałości pokrycia obciążonego na ściskanie. Dodatkowo wykonano symulacje numeryczne, w celu zdefiniowania pola naprężeń występujących w spoinie klejowej dla różnych wymiarów geometrycznych płyty. Wyniki analizy numerycznej wykazały, że geometria modelu płyty wpływa na wartości naprężeń zredukowanych w spoinie klejowej i nakładce. Niezależnie od analizowanych zmian w geometrii modelu płyty maksymalne wartości naprężeń zredukowanych są do siebie zbliżone. Najmniejsze wartości naprężeń zredukowanych w spoinie klejowej oraz nakładce kompozytowej otrzymano dla przypadku płyty o grubości 1 mm i szerokości 160 mm.

Słowa kluczowe

EN

repair node; semi-monocoque structure; composite materials; numerical calculations

PL

węzeł naprawczy; konstrukcja półskorupowa; kompozyt; obliczenia numeryczne

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej ; Sieć Badawcza Łukasiewicz - Warszawski Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Technologia i Automatyzacja Montażu
• Rocznik: 2024
• Tom: nr 4
• Strony: 3--13
• Opis fizyczny: Bibliogr. 36 poz., il. kolor., fot., rys., 1 wykr.

Twórcy

autor

Barca Iga

• Faculty of Mechatronics, Armament and Aerospace, Military University of Technology, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-4687-4873

autor

Godzimirski Jan

• Faculty of Mechatronics, Armament and Aerospace, Military University of Technology, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-1593-2057

autor

Rośkowicz Marek

• Faculty of Mechatronics, Armament and Aerospace, Military University of Technology, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-0501-0622

Bibliografia

• Achour T., Aid A., Albedah A., Bouanani M.F., Benyahia F., Bouiadjra B., Belhouari M., (2013). Materials and Design 50, 433-439.
• Akash B., Apiccella A., Aversa R., Petrescu R., Bucinell R., Corchado J., Petrescu F. (2017). History of aviation - a Short review. Journal of Aircraft and Spacecraft Technology. 1 (1), 30-49.
• Al-Rabeei S., Korba P., Hovanec M., Sekelová I., Kale U. (2024). Structural design and material comparison for aircraft wing box beam panel. Heliyon. Volume 10, Issue 5.
• Albedah A., Bouiadjra B.A.B., Bouiadjra B.B., Benyahia F., Mohammed S.M.A.K., Mhamdia R. (2021). Fatigue crack growth in aluminum panels repaired with different shapes of single-sided composite patches. Int. J. Adhes. Adhes. 105, 102781.
• Armstrong KB., Cole W.W., Bevan G. (2005) Care and repair of advanced composites. SAE International.
• Ayedi H.F., Guermazi N., Haddar N., Elleuch K. (2014). Investigations on the fabrication and the characterization of glass/epoxy, carbon/epoxy and hybrid composites used in the reinforcement and the repair of aeronautic structures. Materials. 56, 714-724.
• Azmin Shakrine, Prince Hasn, Mohd Rafie, Fairuz Izzuddin Romli. (2012). Modern design trend of metal aircraft fuselage structure. International Science Postgraduate Conference 2012. Volume 808-817.
• Baker A. (1984). Repair of cracked or defective metallic aircraft components with advanced fibre composites - an overview of Australian work. Composite Structures. Volume 2, Issue 2, 153-181.
• Baker A., Joned R. (1988). Bonded Repair of Aircraft Structures, Martinus Nijhoff Publishers.
• Baker A. (1999). Bonded composite repair of fatigue-cracked primary aircraft structure. Composite Structures. Volume 47, Issue 1-4, 431-443.
• Barca I., Rośkowicz M. (2022). Analysis of the airframe repair node. Assembly Techniques and Technologies. 3/2022, 42-48.
• Barca I., Godzimirski J., Rośkowicz M. (2023). Selection of materias for repairing punctures of metal skin of semimonocoque structures using composite patches. Assembly Techniques and Technologies. Volume 120, Issue 2/2023, 19-32.
• Bazargan M. (2010). Airline operation and scheduling. Ashgate Publishing Limited, Farnham.
• Bond D., Davis M. (1999). Principles and practices of adhesive bonded structural joints and repairs. International Journal of Adhesion and Adhesives. Volume 19, Issues 2-3, 91-105.
• Chang R.C., Zang S. (2023). Structure health inspection for aging transport aircraft. Aircraft Engineering and Aerospace Technology.
• Camanho P.P., Matthews F.L. (1999). A progressive damage model for mechanically fastened joints in composite laminates. Journal of Composite Materials. 33 (24), 2248-2280.
• Camanho P.P., Lambert M. (2006). A design methodology for mechanically fastened joints in laminated composite materials. Composites Science and Technology. 66 (15), 3004-3020.
• Cantwell W.J., Morton J. (1992). The significance of damage and defects and their detection in composite materials: a review. The Journal of Strain Analysis for Engineering Design, 27 (1), 29-42.
• Dai J.T., Zhao P.Z., Su H.B., Wang Y.B. (2020). Mechanical Behavior of Single Patch Composite Repaired Al Alloy Plates: Experimental and Numerical Analysis. Materials. 13, 2740.
• Gan, Salehi-Khojin, Zhamu; Zhong. (2006). Effects of patch layer and loading frequency on fatigue fracture behavior of aluminum plate repaired with a boron/epoxy composite patch. J. Adhes. Sci. Technol. 20, 107-123.
• Godzimirski J., Pietras A. (2012). Numerical strength analysis of hybrid sandwich composites. WAT Bulletin. Vol. LXI, Nr 3.
• Gunnion A.J., Wang C.H. (2009). Optimum shapes of scarf repairs. Composites Part A Applied Science and Manufacturing, 40 (9), 1407-1418.
• Hamill L., Nutt S. (2018). Adhesion of metallic glass and epoxy in composite-metal bonding. Composites Part B: Engineering. Volume 134, 186-192.
• Henaff G., Renon V., Larignon C., Perusin S., Villechaise P. (2019) Identification of Relationships between Heat Treatment and Fatigue Crack Growth of alpha beta Titanium Alloys. Metals. 9, 512.
• Hoff N.J. (1946). A Short History of the Development of Airplane Structures. Journal Article. Volume 34, No. 3, 370-388.
• Katnam K.B., Da Silva L.F.M., Young T.M. (2013). Bonded repair of composite aircraft structures: A review of scientific challenges and opportunities. Progress in Aerospace Sciences. Volume 61, 26-42.
• Khazaei M., Mohammadi S., Yousefi M. (2021). A review on composite patch repairs and the most important parameters affecting its efficiency and durability. J. Reinf. Plast. Compos. 40, 3-15.
• Kołodziejczyk R., Święch Ł. (2018). Mechanics in Aviation ML-XVIII 2018 Stiffness study of thin-walled composite wing structure of unmanned aircraft. Polish Society for Theoretical and Applied Mechanics.
• Lee H., Seon S., Park S., Walallawita R., Lee K. (2021). Effect of the geometric shapes of repair patches on bonding strength. J. Adhes. 97, 207-224.
• Ma L., Zhou W., Ji X., Yang S., Liu J. (2021). Review on the performance improvements and non-destructive testing of patches repaired composites. Composite Structures. 263.113659.
• Megueni A., Yala A.A. (2009). Materials and Design. 30(1), 200-205.
• Motley George Ronald. (1980). A Study Of The Reinforcement Required For Cutouts In Aircraft Semi-monocoque Structure. Southern Methodist University ProQuest Dissertations & Theses. 8012578.
• Prakash M.B., Ramji M., Srilakshmi R. (2013). Towards optimization of patch shape on the performance of bonded composite repair using FEM. Compos. Part B Eng. 45, 710-720.
• Rośkowicz M., Smal T. (2012). The use of composite materials to repair of aircraft semi-monocoque aircraft semi-monocoque airframes. ECCM15 - 15th European Conference on Composite Materials.
• Shazly Mostafa. (2021). Improvement of scarf repair patch shape for composite aircraft structures. The Journal of Adhesion. 1044-1070.
• Siddiqui Tariq. (2014) Aircraft Materials and Analysis. McGraw Hill Education. Page 9.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2025).