For the bolted joint of the composite structure, quasi-isotropic stacking is generally used to increase the bearing strength. For the bolted joint of uni-directional composite, the fatigue life limit of the bolted joint can be improved by applying clamping force though the static strength is still very low. In this paper, the static and fatigue characteristics of hybrid joint are investigated which can overcome the disadvantage of the bolted joint of uni-directional composite under static loading by applying adhesive joining. The experimental result shows that the static strength and fatigue life can be improved by applying clamping force to the hybrid joint and the hybrid joint is a good solution for the efficiency of the composite structures.
Composite-to-aluminum joins were tested to get failure loads and modes for three types of joins; adhesive bonding, bolt fastening, and adhesive-bolt hybrid joining. Film type adhesive FM73 and paste type adhesive Cytec EA9394S were used for aluminum and composite bonding to make a double-lap joint. A digital microscope camcorder was used to monitor the failure initiation and propagation. It was found that the hybrid joining is an effective method to strengthen the joint when the mechanical fastening is stronger than the bonding as in the case of using the paste type adhesive. On the contrary, when the strength of the bolted joint is lower than the strength of the bonded joint as in the joint with the film type adhesive, the bolt joining contribute little to the hybrid joint strength.
Fatigue fracture behavior of a hybrid bolted joint was evaluated in comparison to the case of static fracture. Two kinds of specimens were fabricated for the mechanical tests; a hybrid bolted joint specimen for the shear test and a hybrid joint part specimen applied in the real tilting car body for the bending test. Characteristic fracture behaviors of those specimens under cyclic toads were obviously different from the case under static loads. For the hybrid bolted joint specimen, static shear loading caused the fracture of the bolt body itself in a pure shear mode, whereas cyclic shear loading brought about the fracture at the site of local tensile stress concentration. For the hybrid joint part specimen, static bend loading caused the shear deformation and fracture in the honeycomb core region, while cyclic bend loading did the delamination along the interface between composite skin and honeycomb core layers as well as the fracture of welded joint part. Experimental results obtained by static and fatigue tests were reflected in modifications of design parameters of the hybrid joint structure in the real tilting car body.
Fatigue fracture behavior of a hybrid joint between side-panel and under-frame by riveting and adhesive bonding has been evaluated. Two kinds of joint specimens based on real geometry were fabricated for shearing test as well as bending test. Static and cyclic loadings were used for fatigue assessment. Fatigue fracture results obtained by such experiments were reflected in modifications of design parameters of the hybrid joint.
The strength of aluminum 7075 and carbon composite hybrid joints was studied for adhesive, bolt, and the adhesive-bolt combined joints. Several hybrid joint specimens were tested to get the failure load and modes for three types of the joints. Adhesive Cytec EA9394S was used for aluminum and carbon bonding. Failure load of the adhesive-bolt combined joint was 94 % of the sum of the failure load of the separately bonded and bolted joints. Hybrid joint also showed more stable failure behavior than the simple adhesive or bolted joint.
복합재료가 항공기 구조물 및 기계 부품 등에 폭 넓게 적용됨에 따라, 복합재료 구조들에서 가장 취약한 복합재료 체결부의 설계는 매우 중요한 연구분야로 대두되긴 있다. 본 논문에서는 접착 체결구조와 기계적 체결구조의 조합으로 되어 있는 하이브리드 조인트의 파손강도를 평가하고 예측하였다. 피착제의 두께, w/d, e/d가 서로 다른 10가지 하이브리드 조인트 시험편을 제작하여 평가하였다. 접착 체결구조와 기계적 체결구조의 파손 판정을 위해 파손영역법과 파괴면적지수법이 각각 적용 되었으며, 두 체결부위 중 어느 한족이 먼저 파손기준에 도달할 경우, 하이브리드 조인트가 파손되었다고 가정하였다. 이상의 실험과 해석결과로부터, 하이브리드 조인트 시편의 파손강도는 25.5%, 오차 범위 내에서 예측할 수 있었다.
Press fitting method for joining of a hybrid tube and steel ring with small teeth for automotive aluminum/composite hybrid propeller shaft was devised to improve reliability and to reduce manufacturing cost, compared to other joining methods such as an adhesively bonded joint, bolted joint or welded joint. To obtain high strength of the press fit joint, an optimal design method for the teeth was devised with respect to number and shape of the steel teeth. Torsional static, fatigue tests and finite element analysis of the press fit joint were performed with respect to experimental variables. The developed optimal design method predicted well the static torque capability and failure mode of the press fit joint. Also, it provided design guide line of press fit joint for improving torsional static and fatigue characteristics.
A parametric study has been conducted to investigate the effect of the geometry on the strength of an unidirectional and fabric hybrid laminated composite joint. Tests are conducted for the specimens with nine different edge-to-hole diameter or width-to-hole diameter ratios. For the finite element analysis, the characteristic length method is used, and the tests for determining the characteristic length are performed additionally. Nonlinear contact problem between the pin and laminate is modeled by the gap element in MSC/NASTRAN. Tsai-Wu failure criteria is applied to the stress on the characteristic curve. The finite element and experimental results shows good agreement in strength of composite joint. Results of the parametric study shows the effect of the geometry is remarkable in the specimens with width-to-hole diameter ratio less than 2.8 and edge-to-hole diameter ratio less than 1.4.
피로시험의 결과가 큰 편차를 보이는 하이브리드 복합재 조인트부에 대해서 통계적 피로수명 평가법을 이용하여 신뢰도 높은 피로수명을 추정하고자 한다. 저상버스 차체에 사용되는 하이브리드 복합재 조인트부를 절취하여 시험대상으로 하였으며, 이 조인트 시편으로 외팔보형 피로굽힘시험을 수행하였다. 피로시험 데이터를 정규분포, 대수정규분포, 와이블 분포를 이용하여 근접시킨 피로수명 곡선들과 각각 비교함으로써 하이브리드 복합재 조인트부의 내구수명 추정에 가장 적합한 확률분포를 선정하였다. 선정된 와이블 확률분포를 이용해 확률-응력-수명(P-S-N) 곡선을 구함으로써 하이브리드 복합재 조인트부에 대한 통계적 수명예측 평가절차와 신뢰성설계의 기초자료를 제시하였다.
Pitta, Siddharth;Rojas, Jose I.;Roure, Francesc;Crespo, Daniel;Wahab, Magd Abdel
Steel and Composite Structures
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제43권1호
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pp.19-30
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2022
The static strength and fatigue crack resistance of the aircraft skin structures depend on the materials used and joint type. Most of the commercial aircraft's skin panel structures are made from aluminium alloy and carbon fibre reinforced epoxy. In this study, the fatigue resistance of four joint configurations (metal/metal, metal/composite, composite/composite and composite/metal) with riveted, adhesive bonded, and hybrid joining techniques are investigated with experiments and finite element analysis. The fatigue tests were tension-tension because of the typical nature of the loads on aircraft skin panels susceptible of experimenting fatigue. Experiment results suggest that the fatigue life of hybrid joints is superior to adhesive bonded joints, and these in turn much better than conventional riveted joints. Thanks to the fact that, for hybrid joints, the adhesive bond provides better load distribution and ensures load-carrying capacity in the event of premature adhesive failure while rivets induce compressive residual stresses in the joint. Results from FE tool ABAQUS analysis for adhesive bonded and hybrid joints agrees with the experiments. From the analysis, the energy release rate for adhesive bonded joints is higher than that of hybrid joints in both opening (mode I) and shear direction (mode II). Most joints show higher energy release rate in mode II. This indicates that the joints experience fatigue crack in the shear direction, which is responsible for crack opening.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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