Composites Research

The Korean Society for Composite Materials (한국복합재료학회)
권호 표지

Effect of Various Parameters on Stress Distribution around Holes in Mechanically Fastened Composite Laminates

기계적으로 체결된 복합재료 평판에서 다양한 인자의 영향에 따른 원공 주위의 응력분포

  • Published : 2005.12.01
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

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.

Keywords

References

  1. M.W. Hyer and E.C.Klang, 'Contact Stresses In Pin-Loaded Oorthotropic Plate,' International Journal of Solids Structrues, Vol. 21,No. 9, 1985, pp. 957-975 https://doi.org/10.1016/0020-7683(85)90110-6
  2. De Jong, T, 'Stress in pin-loaded holes in elastically orthotropic or isotropic plates,' Journal of composite material, Vol. 11, 1977, pp. 313-331 https://doi.org/10.1177/002199837701100306
  3. L.Ingvar Eriksson, 'Contact Stresses in Bolted Joints of Composite Laminates,' Composite Structures, Vol. 6, 1986, pp. 57-75 https://doi.org/10.1016/0263-8223(86)90068-1
  4. C.MS. Wong And F.L. Matthews, 'A Finite Element Analysis of Single and Two-Hole Bolted Joints in Fibre Reinforced Plastic,' Journal of composite material, Vol. 15, 1981, pp. 481-491 https://doi.org/10.1177/002199838101500506
  5. Wen-Hwa Chen, Shyh-Shiaw Lee & Jyi-Tyan Yeh, 'Three-dimensional contact stress analysis of a composite laminate with bolted joint,' Composite Structures, Vol. 30, 1995, pp. 287-297 https://doi.org/10.1016/0263-8223(94)00041-7
  6. Tomas Ireman,'Three-dimensional stress analysis of bolted single-lap composite joints,' Composite Structures, Vol. 43,1998, pp. 195-216 https://doi.org/10.1016/S0263-8223(98)00103-2
  7. M. Y. Tsai and J. Mortan, 'Stress and Failure Analysis of a Pin-Loaded Composite Plates An Experimental Study,' Journal of Composite Materials, Vol. 24, 1990, pp. 1101-1121 https://doi.org/10.1177/002199839002401005
  8. Crews, J.H., Hong, C.S. and Raju, I.S, 'Stress-concentration factors for finite orthotropic laminates with a pin-loaded hole,' NASA Tech. Paper TP-1862, 1981, pp. 1-40
  9. Alvin P.Blackie & Surachate Chutima, 'Stress distributions in multi-fastened composite plates,' Composite Structures, Vol. 34, 1996, pp. 427-436 https://doi.org/10.1016/0263-8223(96)00012-8
  10. E. Madenci,S.hskarayev,B.Sergeev,D.W. Oplinger and P. Shyprykevich, 'Analysis Of Composite Laminates With Multiple Fasteners,' International Journal of Solids Structures, Vol. 35, No. 15,1998, pp. 1793-1811 https://doi.org/10.1016/S0020-7683(97)00152-2
  11. Young-Jun Chun, Jin-Ho Choi and Jin-Hwe Kweon. 'A study on the strength of mechanically fastened composite joint using the failure area index method,' Journal of the korea society for composite materials, Vol. 16,No. 5, 2003, pp. 1-6
  12. Tea-Seong Lim, Byung-Chul Kim, Dai-Gil Lee, 'Fatigue characteristics of the bolted joints for unidirectional composite laminates,' Composite Structures, Vol. In Press, 2005
  13. V.Kradinov, E.Madenci, D.R. Ambur, 'Application of genetic algorithm for optimum design of bolted composite lap joint,' Composite Structure, Vol. In Press, 2005
  14. Y.Tan, W.D.Wen, F.K. Chang, P.Shyprykevich, 'Experimental study in clamping effects on the tensile strength of composite plates with a bolt-filled hole,' Composite Part A, Vol. 30,1995, pp. 1215-1229 https://doi.org/10.1016/S1359-835X(99)00002-0