Srovnávací studie únosnosti a tuhosti vybraných spojů kovové a kompozitní části konstrukce

Abstract

V současnosti jedna z metod spojování zejména tlustých a vysoce zatížených kompozitních komponent je šroubový spoj, který je možné rozebrat pro případ opravy na rozdíl od lepeného spoje. Kompozitní konstrukce se tradičně dimenzují tak, aby během provozu nedošlo k porušení první vrstvy laminátu, nicméně důležité je taky poznat chování laminátu po porušení první vrstvy. Pro strukturální analýzu nejenom spojů, ale také dalších komponent se používá metoda konečných prvků a protože moderní nelineání řešiče jsou schopné modelovat chování laminátu po porušení první vrstvy, tato schopnost jednoho z nich byla využita v této práci při zkoumaní chování sklolaminátu spojeného s hliníkovou částí šrouby. Konečno-prvkové modely dvou spojů kovové a kompozitní části konstrukce schopné popsat progresivní porušování laminátu byly postaveny s využitím tří různých poruchových kritérií – kritéria maximálního napětí, kritéria Hill a kritéria Tsai-Wu. Problém byl řešen s využitím řešiče Nastran. Křivky síla-posuv, tuhost-posuv a hodnoty zatížení při hraničním posuvu byly porov-nány s výsledky experimentů. Jelikož faktor zbytkové tuhosti ovlivňuje výsledky ana-lýzy progresivního porušování, byly provedeny citlivostní studie zkoumajíci vliv faktoru na přesnost a stabilitu výpočtu. Shoda výpočtu s experimentem v případe prvního šroubového spoje je méně uspokojivá, nicméně shoda v případě druhého spoje, který má zesilující tenkou ocelovou destičku na spodní straně, je podstatně lepší. Vý-borná shoda je zejména při použití interaktivních kritérií Hill a Tsai-Wu.

Nowadays, one of the method for joining especially thick and highly loaded composite components is mechanically fastened bolted joint which allows disassembly of compo-nents e.g. for repair unlike adhesively bonded joint. Traditional sizing method is first-ply-failure, however prediction post first-ply-failure behavior is important too. For structural analysis of the joints as well as for other components is widely used the finite element method. Since modern nonlinear solvers have capability for investigation post first-ply-failure behavior of laminate, this capability of one of them was used in this thesis for investigation of mechanical behavior of laminate made of GFRP layers which was joined to aluminium bracket using bolts. Progressive damage finite element models of two metal-to-composite joints were built in order to determine post first-ply-failure behaviour using three different failure criteria - maximum stress, Hill and Tsai-Wu using Nastran solver. Force-displacement curves, stiffness-displacement curves and values of loads at ultimate displacement were compared with experimental data. As residual stiffness factor influences the results of progressive failure analysis, sensitivity studies of the factor were done, in which accuracy and achieving conver-gence were investigated. In the case of the first joint an agreement is less satisfying, however, the agreement in the case of the second joint, which has a thin steel reinforc-ing plate on its bottom side, is considerably better. Excellent agreement is especially with interactive criteria Hill and Tsai-Wu.