نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 دانشجوی دکترا، دانشکده مهندسی هوافضا، موسسه تحقیقات فضایی، تهران، ایران

چکیده

اتصالات به‌علت حساسیت بیشتر در برابر انتقال بار، تمرکز تنش و ناهمگونی طرفین اتصال (جنس، هندسه و شرایط مرزی)، یکی از مهم‌ترین اجزا در سازه‌های کامپوزیتی هستند. تحلیل عددی تمامی اتصالاتی که در یک سازه‌ی بزرگ وجود دارد کار زمان‌بر و پر هزینه‌ای است. استفاده از معیارهای مناسب برای یافتن بحرانی‌ترین اتصال مکانیکی در مدل‌سازی دقیق اتصالات سازه‌های بزرگ، از اهمیت بالایی برخوردار است. در این مقاله به بررسی و مقایسه سه مدل المان محدود مختلف برای تحلیل تخریب پیش‌رونده در اتصالات تک لبه‌ی تحت بار کششی در نرم افزار المان محدود آباکوس 6.11.1 پرداخته شد و مقادیر سفتی (شیب قسمت خطی منحنی بار-جابه‌جایی)، استحکام (بیشینه نیرو)، منحنی‌های بار-جابه‌جایی در مدل‌های مختلف با مقادیر تجربی مقایسه شد. همچنین زمان محاسباتی مدل‌های مختلف با هم مقایسه شد. پس از بررسی نتایج به‌دست آمده از این تحقیق مشاهده شد که مدل آجری-پوسته‌ای(اصلاح شده) سفتی و استحکام را به‌خوبی پیش‌بینی می‌کند. همچنین مدل تیر-پوسته سفتی را نسبتا خوب و استحکام را کمتر از واقعیت برآورد می‌کند. بنابراین پیشنهاد شد که اتصالات یک سازه‌ی بزرگ، با استفاده از مدل تیر-پوسته‌ مدل‌سازی شود و پس از تحلیل،اتصالاتی که دچار خرابی شدند با مدل آجری-پوسته‌ای اصلاح شده جایگزین گردند و سازه دوباره تحلیل شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Comparison of numerical analysis methods for progressive damage analysis in composite bolted joints and suggestion of new method for bolted joints analysis

نویسندگان [English]

  • Jafar Ebadi-Rajoli 1
  • Majid Mokhtari 2

1 Department of Mechanical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

2 Department of Aerospace Engineering, Aerospace Research Institute, Tehran, Iran

چکیده [English]

Joints are the most important parts of composite structures, because of their more sensitivity to load transmission, stress concentration and adherents differences (in materials, geometries and boundary conditions). Numerical analysis of all mechanical joints in big structures is costly in time and memory usage. In big structures, precise numerical analysis of mechanical joints needs to an appropriate criterion to find the critical joint. In this paper different modeling methods on analysis of mechanical joints are compared to each others. The numerical analysis is done by means of ABAQUS-6.11.1 finite element (FE) code. Predicted elastic modulus, the joint strength (maximum force) and load-displacement trends are compared with experimental results and time cost of modeling are compared to each others. Result study shown that the elastic modulus and the joint strength are better predicted in the improved Solid-Shell model. Beam-Shell model predicted a good elastic modulus in the joint, although the joint strength is predicted less than experiments. The final suggestion of this paper to time saving purpose in joint analysis of a big structure with many joints is to start the analysis of all joints with Beam-Shell model and finding the failed mechanical joints. In second step, just the failed joints should be re-model with improved Shell-Solid model and the structure should be checked for joint failure again

کلیدواژه‌ها [English]

  • Mechanical joints
  • big structures
  • progressive damage
  • the computational cost
  • Finite elements method

[1]    Campbell, F. C., "Structural composite materials: Asm international", ASM International, United States of America, pp.50-100, 2010.

[2]    Poulos, A., "fatigue and fracture of adhesively composite joints", Wood head, UK, pp.9-54, 2015.

[3]    da Silva, L. Öchsner, A. and Adams, R., "Handbook of Adhesion Technology", Springer, Berlin, 2011.

[4]    Federal Aviation Administration, “Aircraft Inspection and Repair", Skyhorse, USA, 2010.

[5]    Space engineering standard, ECSS-E-HB-32-20., ESA Requirements and Standards Division, 2009.

[6]    Olmedo, Á. and Santiuste, C., "On the prediction of bolted single-lap composite joints", Composite Structures, Vol. 94, pp. 2127-2110, 2012.

[7]    Atas, A. and Soutis, C., "Subcritical damage mechanisms of bolted joints in CFRP composite laminates", Composites: Part B., Vol. 54, pp. 20-27, 2013.

[8]    Kolks, G. and Tserpes, K. I., "Efficient progressive damage modeling of hybrid composite/titanium bolted joints",Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 56, pp. 51-63, 2014.

[9]    Jeong, K. Yoon, J. and Kang, B., "Finite element analysis and modeling of structure with bolted joints", Applied mathematical modelling Vol. 31, No. 5, pp. 895-911, 2007.

[10]  Reddy, J. N., "An Introduction to the Finite Element Method", McGraw-Hill, New York, 2005.

[11]  Abaqus 6.11 Analysis User's Manual, Abaqus Inc, 2011.

[12] McCarthy, C. T. McCarthy, M. A. and Gilchrist, M. D., "Predicting failure in multi-bolt composite joints using finite element analysis and bearing-bypass diagrams", Key Engineering Materials, Vol. 293, pp. 591-598, 2005.

[13]  Tomohiro, N. Kawasaki, T. and Hattori, T., "Simple Modelling and Strength Evaluation Methods for Bolt Joints Using Shell Elements and Beam Elements",Journal of Computational Science and Technology, Vol. 3.1, pp.34-45, 2009.

[14]  Ilker, U. Suer, M. and Ozkol, I., "Finite element modelling and analysis of simple lap joints", Recent Advances in Space Technologies (RAST), 5th International Conference on IEEE, 2011.

[15]  Hashin, Z., "Failure criteria for unidirectional fiber composites", Journal of applied mechanics, Vol. 47, No. 2, pp. 329-334, 1980.

[16]  Deng, X., "Isogeometric analysis of continuum damage in rotation-free composite shells", Comput. Methods Appl. Mech. Engrg. Vol. 284, pp. 349–372, 2015.

[17]  McCarthy, M. A. McCarthy, C. T. and Padhi, G. S., "A simple method for determining the effects of bolt–hole clearance on load distribution in single-column multi-bolt composite joints",Composite Structures Vol. 73.1, pp. 78-87, 2006.