Design of composite shear-loaded bolted joints

• Auslegung von schubbeanspruchten Bolzenverbindungen in Faserverbundwerkstoffen

Wang, Jianxia; Schröder, Kai-Uwe (Thesis advisor); Schagerl, Martin (Thesis advisor)

Düren : Shaker Verlag (2022)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Berichte aus dem Leichtbau 3/2021
Seite(n)/Artikel-Nr.: xiv, 143 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Strukturbauteile aus Faserverbundwerkstoffe werden in großem Umfang in Flugzeugstrukturen verwendet und hauptsächlich durch Schrauben oder Nietverbindungen zusammengefügt. Es gibt jedoch noch viele Herausforderungen bei der Vorhersage der Festigkeit und des Versagensmodus von Schraub- und Nietverbindungen von Faserverbundwerkstoffen. Außerdem sind die Versagensmechanismen, die Auswirkungen der Stapelreihenfolge und die Auswirkungen des Schichtverhältnisses noch immer nicht vollständig verstanden. In dieser Arbeit wurde ein dreidimensionales progressives Schädigungsmodell unter Verwendung des Hashin-Kriteriums für Faserbruch und ein auf Mohr basiertes Kriterium für die Rissbildung in der Matrix entwickelt und mittels einer UMAT-Routine in Abaqus/Standard implementiert. Dieses Modell berücksichtigte mehrere signifikante Schädigungsphänomene: die Orientierungs- und Schließungswirkung von Matrixrissen und transversale Randbedingungen auf das versagte Material in der Knautschzone. Die Schadensinitiierung und die Schadensausbreitung in den einzelnen Lagen und einer zweischnittigen Verbindung von Faserverbundwerkstoff-Plattenstreifen mit einer einzelnen Schraube wurden unter Verwendung des vorgeschlagenen Schadensmodells bei verschiedenen Belastungsniveaus im Detail untersucht. Darüber hinaus wurde der Einfluss von sekundärer Biegung auf die mechanische Degradation und den Versagensmechanismus von einschnittigen Schraubenverbindungen untersucht. Um die Auswirkungen des Lagenaufbaus auf das quasistatische Zugversagen der Schraubverbindungen zu bewerten, wurden zweischnittige Schraubverbindungen mit drei unterschiedlichen Lagenaufbau numerisch simuliert. Quantitative Analysen, die Spannungsverteilung an den Grenzflächen, die Festigkeit und die Dehnungsenergie umfassen, wurden verwendet, um die Auswirkungen der Stapelreihenfolge und des Schichtverhältnisses zu untersuchen. Im letzten Schritt wurde eine empirische Methodik für die Festigkeitsvorhersage und der Auslegung von Schraubverbindungen von Faserverbundwerkstoffen entwickelt. Der Spannungskonzentrationsreduktionsfaktor wurde verwendet, auf die Auswirkungen von geometrischen Parametern, Schichtverhältnissen und Belastungsbedingungen zu reflektieren, um die Versagensarten der Schraubenverbindung auf Zug und Lochleibung zu berücksichtigen. Darüber hinaus werden auch Konstruktionsprinzipien für die Konstruktion von Schraubverbindungen von Faserverbundwerkstoffen dargestellt.