Analiza numeryczna połączenia śrubowego kompozytu warstwowego z metalem

W konstrukcji połączeń śrubowych/nitowych kompozytów warstwowych z metalem są wykorzystywane siły adhezji (klejenie) oraz spójności i tarcia (połączenia gwintowe). Złącza takie, eliminując zjawiska korozji elektrochemicznej, zapewniają korzystny, z punktu widzenia jego nośności, rozkład naprężeń. Badania odkształceń w otworach na śruby lub nity jest utrudnione. Istniejące metody zmieniają warunki współpracy części lub mają zastosowanie tylko do określonych materiałów. Wykorzystanie metod numerycznych umożliwia określenie stanów odkształceń/naprężeń występujących w tych obszarach, szczególnie w przypadku takich materiałów, jak kompozyty. Jednak numeryczna analiza materiałów kompozytowych wymaga zastosowania specjalnych procedur obliczeniowych dostosowanych do ich specyfiki. Do budowy modelu kompozytu konieczne są elementy skończone o specjalnych właściwościach. W pracy została przedstawiona numeryczna analiza połączenia klejowego stali z kompozytem epoksydowo-węglowym. Zaprezentowane połączenie zostało wzmocnione śrubą. W obliczeniach uwzględniono cienką warstwę kleju epoksydowego łączącego poszczególne części. Zastosowanie specjalnych procedur do odwzorowania zagadnienia kontaktu pozwoliło zachować nieciągłość pól naprężeń na granicach łączonych części. W pracy rozważono dwa modele numeryczne: bez uwzględnienia śruby w otworze oraz ze śrubą. Otrzymane wyniki potwierdzają zjawiska obserwowane w rzeczywistych połączeniach hybrydowych metal-kompozyt.

---

In the construction of bolted/riveted joints of laminar composites with metal, the forces of adhesion (bonding), cohesion and friction (screwed joints) are utilised. Such joints eliminate the phenomena of electrochemical corrosion, and assure the state of stress advantageous from the point of the view of the joint carrying capacities. Investigations of deformations in screw holes or rivets are more difficult. The existing methods change the conditions of interaction of the pieces or are limited only to specific materials. The use of numerical methods makes possible the determination of the strains and stresses states present in these areas, particularly in the case of such materials as composites. However, the numerical analysis of composite materials requires the use of special computational procedures adapted to their specificities. The finite elements with special properties are necessary to create the composite model. The paper presents the numerical analysis of a bonded joint of steel with a carbon-epoxy composite. The introduced joint was strengthened with a screw. The thin ply of epoxy glue joining the individual pieces was considered in the calculations. The use of special procedures to represent the contact model allowed to hold the discontinuity of the stress field the interfaces of the jointed pieces. Two numerical models were considered in the paper: one without regard of the screw in the hole and the other - with the screw. The received results confirm the phenomena observed in real hybrid steel-composites joints.