Abstract
With the wide applications of fiber-reinforced composite material in aero-structures and mechanical parts, the design of composite joints have become a very important research area because the joints are often the weakest areas in composite structures. This paper presents an analytical study of the stress distributions in mechanically single-fastened and multi-fastened composite laminates. The finite element models which treat the pin and hole contact problem using a contact stress analysis are described. A dimensionless stress concentration factor is used to compare the stress distributions in composite laminates quantitatively In the case of single-pin loaded composite laminate, the effects of stacking sequence, the ratio of a hole diameter and the width of a laminate (W/D ratio), the ratio of hole diameter and distance from edge to hole (E/D ratio), friction coefficient and clamping force are considered. In the case of multi-pin loaded composite laminate, the influence of the number of pins, pitch distance, number of rows, row spacing and hole pattern are considered. The results show that P/D ratio and E/D ratio affect more on stress distributions near the hole boundary than the other factors. In the case of multi-pin loaded composite laminate, the stress concentration in the double column case is better than the other cases of multi-pin loaded composite laminate.
복합재료가 항공기 구조물 및 기계부품 등에 폭 넓게 적용됨에 따라, 복합재료 구조물에서 가장 취약한 복합재료 체결부의 설계는 매우 중요한 연구 분야로 대두되고 있다. 본 논문에서는 기계적으로 체결이 된 단일 및 다중 핀 하중을 받는 복합재료 평판에서 응력분포에 대한 해석적인 연구를 수행하였다. 또한, 기계적체결부인 핀과 구멍간에서 접촉 문제를 다루기 위하여 접촉응력해석을 이용한 유한요소 모델이 사용되었으며, 응력분포를 정량적으로 비교하기 위하여 무차원화한 응력집중계수를 이용하였다. 단일 핀 하중을 받는 경우에 대하여 적층순서, 원공의 지름에 대한 평판 폭의 비 (W/D ratio), 원공의 지름에 대한 끝단에서 원공까지의 길이의 비 (En ratio), 마찰계수, 와셔의 조임력 등에 대한 영향을 알아보았으며, 다중 핀 하중을 받는 경우에 응력집중계수를 이용하여 핀의 개수, 피치, 열의 개수, 열 간격 및 원공의 배치형상의 영향에 대하여 알아보았다. 단일 핀 하중을 받는 경우에 대한 결과로부터, DBLT (Double-Bias-Longitudinal Transverse) 복합재료 평판에서 응력이 가장 민감하게 나타나는 것을 알 수 있었고, 원공의 지름에 대한 평판 폭의 비와끝단에서 원공까지의 길이의 비에 따른 응력의 변화가 민감하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 다중핀 하중을 받는 경우에 대한 응력해석의 결과로부터, 원공이 2열로 배치된 복합재료 평판에서 응력집중현상이 가장 적게 일어나는 것을 확인하였다. 이러한 해석을 통하여, 체결부에서 나타나는 응력분포로부터 복합재료 평판에서의 파손형태를 예측할 수 있다.
