Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/14707
Title: Analysis of aerospace composite bolted joints under elevated load rates
Other Titles: Ανάλυση κοχλιωτών συνδέσεων αεροπορικών κατασκευών υπό υψηλούς ρυθμούς παραμόρφωσης
Authors: Δέρδας, Χρήστος
Keywords: Composite materials
Bolted joints
Finite element
Elevated load rates
Keywords (translated): Σύνθετα υλικά
Κοχλιωτοί σύνδεσμοι
Υψηλοί ρυθμοί φόρτισης
Abstract: The work conducted in this thesis is part of an on-going effort from AML/UoP to be a leader in composite aerostructures design not only in terms of static design and analysis, but also on energy absorption, strain rate dependent phenomena, impact and blast. Although the area of quasistatic behaviour of composite structures and their joints has advanced significantly, issues pertaining to their behaviour under medium and high load rate behaviour have been significantly lagging. The complexity of the phenomena involved, and their stochastic nature have deterred certification organisations from including elevated load rate phenomena in their procedures. The work conducted here aims to practically cover this gap in composite joints modelling and investigation. The foundation of this work is laid upon three main pillars: • The first are the standardisation efforts by the AGATE consortium in what regards quasistatic material properties. • The second is LS-DYNA which has incorporated a material model covering progressive damage modelling and rate dependent behaviour for orthotropic composites • The third is experimental work conducted in the framework of the VULCAN project by TNO, in the area of shock loading of composite specimens. These three pillars lead to the definition of the material parameters for a specific composite prepreg, both in terms of quasistatic and transient behaviour. In order to derive the rate dependent part of the material’s model behaviour a set of Prony Series coefficients is required to be defined (at minimum two). In order to achieve this, a parametric study expanded by Neural Networks has been conducted. This work is described in Chapter 2. Due to the fact that the contents of the standardisation database are common for all material systems, the proposed procedure can be applied for all AGATE, NCAMP and Composites Material Handbook 17 standardised materials, requiring only the shock experiments. Another issue not allowing the direct explicit fastener modelling in larger than specimen models has been the computational costs associated with it. This issue is covered in Chapter 3, where an innovative bolt representation has been developed; the basis of this work involves the separation of the geometrical to the stiffness representation of the bolt. This development is also followed by the validation of the concept against the AGATE experiments conducted per the ASTM D-951 testing procedure, in order to ensure uniform contact characteristics even when the laminate sequence changes. Finally, an assessment of the combined bearing bypass behaviour of a typical skin laminate sequence is concluded.
Abstract (translated): Τα σύνθετα πολυμερή υλικά αποτελούν την αιχμή της τεχνολογίας στην κατασκευή αεροπορικών δομικών στοιχείων. Με την εφαρμογή τους διασφαλίζεται χαμηλό βάρος των δομών, συνδυαζόμενο με υψηλή αντοχή και μεγάλη δυσκαμψία. Αν και από άποψη μηχανικής συμπεριφοράς, δυσκαμψίας και αντοχής, είναι επιθυμητή η ελαχιστοποίηση των συνδέσεων, στην πραγματικότητα, η ύπαρξη τους επιβάλλεται από λόγους κατασκευής και συντήρησης, αλλά και ως τρόπος επισκευής μιας ήδη υπάρχουσας βλάβης. Συνήθως οι αεροπορικές συνδέσεις γίνονται με τη χρήση μηχανικών συνδέσεων ή με τη χρήση κόλλας. Οι μηχανικές κοχλιωτές συνδέσεις, παρά τα όποια μειονεκτήματά τους (χαμηλή δυσκαμψία, δημιουργία σημείων συγκέντρωσης τάσεων στο σύνθετο υλικό) αποτελούν σε πολλές εφαρμογές την πιο αποτελεσματική λύση σύνδεσης λόγω κατασκευαστικών απαιτήσεων, αδυναμίας ελέγχου των στοιχείων της κατασκευής, και αποσυναρμολόγησης όταν έχει χρησιμοποιηθεί κόλλα. Πέρα όμως από τα συνήθη φορτία πτήσης για τα οποία είναι σχεδιασμένες οι μηχανικές συνδέσεις, σε περίπτωση κάποιου ατυχήματος, καλούνται να παραλάβουν φορτίσεις οι οποίες χαρακτηρίζονται από υψηλό ρυθμό επιβολής. Η συμπεριφορά λοιπόν τέτοιων συνδέσεων σε φορτίσεις υψηλού ρυθμού παραμόρφωσης αποτελεί σημαντικό στοιχείο ασφάλειας μίας δομής από σύνθετα υλικά. Οι στόχοι της παρούσας διατριβής είναι οι ακόλουθοι: 1. Ανάπτυξη μεθοδολογιών οι οποίες να επιτρέπουν την πλήρη αξιοποίηση των δεδομένων πιστοποίησης συνθετών υλικών για αεροκατασκευές. Τα δεδομένα πιστοποίησης τα οποία παρέχονται είναι πολλά σε όγκο και εξαιρετικά λεπτομερή και επιτρέπουν τη μοντελοποίηση της αστοχίας συνθέτων υλικών. 2. Ανάπτυξη μεθοδολογιών προσομοίωσης μηχανικών συνδέσεων σε κατασκευές από σύνθετα υλικά οι οποίες να επιτρέπουν την εφαρμογή σε μοντέλα Πεπερασμένων Στοιχείων Μέσης κλίμακας 3. Ανάλυση της συμπεριφοράς δοκιμίων συνδέσεων σε φορτίσεις με υψηλούς ρυθμούς παραμόρφωσης. Αυτή η αριθμητική ανάλυση δίνει παράλληλα τη δυνατότητα σχεδιασμού κατάλληλων πειραμάτων και επιβεβαιώνει τα αριθμητικά εργαλεία που προτείνονται 4. Ανάλυση της συμπεριφοράς συνδέσεων -με έναν και δύο κοχλίες- από σύνθετα υλικά υπό υψηλούς ρυθμούς παραμόρφωσης σε εντός επιπέδου φορτίσεις.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχαν. (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Analysis of aerospace composite bolted joints under elevated load rates.pdf3.86 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.