Enhanced Composite Joint Performance through Interlacement of Metal Inserts
Tid: Fr 2021-06-11 kl 10.15
Ämnesområde: Flyg- och rymdteknik
Respondent: Sahar Akbarpour , Lättkonstruktioner, KTH
Opponent: Prof Conor McCarthy, University of Limerick
Handledare: Stefan Hallström, Flygteknik, Lättkonstruktioner
Abstract
Arbetet som presenteras i avhandlingen undersöker bultförband i fiberarmerade kompositmaterial med särskilt fokus på ett nytt insert-koncept. Konceptet definieras av att kompositmaterialet närmast hålet ersätts med metall genom att partiellt byta ut lagren i kompositen med tunna metallskikt som tillsammans bygger upp en solid metallförstärkning. En omfattande experimentell studie är genomförd tillsammans med finita elementanalys av de studerade fallen.
Förstärkning med höghållfasta metaller förbättrar bärigheten hos hålen i kompositmaterialet. En komplett förstärkningseffekt kräver dock även att draghållfastheten hos den perforerade kompositen förbättras. Forskningsarbetet började med att undersöka pinn-belastade hål och draghållfastheten hos provstavar med hål och integrerade inserts, och en tydlig förbättring kunde påvisas. Tidiga tester möjliggjorde en bättre utformning av efterföljande konfigurationer så att de erhöll en tillfredsställande hållfasthet även i ren dragbelastning. Parallellt med det experimentella arbetet utvecklades numeriska modeller av de studerade konfigurationerna för att bättre kunna analysera deras mekanik och hållfasthet.
Kapaciteten hos förbanden undersöktes sedan genom provning av enkelskärande överlappsfogar med enkelt eller dubbla fästelement, med och utan inserts. Tillbörliga kantavstånd och effekten av olika åtdragningsmoment undersöktes också.
Den ursprungliga provningen utfördes med inserts gjorda av rostfritt stål. Senare testades även inserts gjorda av en titanlegering. Olika insert-konfigurationer togs fram för att studera effekterna av olika detaljer i fogarna mellan metallerna och kompositmaterialet. Datorsimuleringarna genomfördes med två olika typer av modeller; en där de olika materialen var stumt fogade till varandra, utan att modellera limfilmen emellan, och en annan som använde en elastisk beskrivning av limmet. De experimentella resultaten användes sedan för att verifiera resultaten från de numeriska simuleringarna.
Den slutgiltiga utvärderingen av konceptet genomfördes på konfigurationer som tagits fram antingen för renodlad dragbelastning eller för mer generell (bi-axiell) belastning. Hålkants- och draghållfastheten undersöktes tillsammans med bärfärmågan hos bultförband och jämförelser gjordes mellan fall med olika inserts. Konfigurationerna med inserts av stål uppvisade den högsta hålkantshållfastheten medan de med titan-inserts presterade bättre totalt sett. De senare uppvisade påtagliga förbättringar av samtliga undersökta egenskaper.