Concentration of stresses near the hole in contact with rigid cylinder in composite plate, taking into account lateral clearances

Konstantin Rudakov,Tymur Bakhtovarshoiev,Yury Dyfuchyn

doi:10.20535/2521-1943.2021.5.2.243744

Abstract

Problems. When designing bolted joints (BJ), it is necessary, in particular, to carry out their verification calculations for strength. At the same time, it is desirable to use express analysis: calculations by simple formulas of sufficient accuracy. For BJ of plates made of layered polymer composite materials (PCM), the problem has not yet been solved. The aim of the study. The task is to test the accuracy of three known formulas for quick calculation of the value of the stress concentration factor (SCF) in zone of contact of bolt-hole with a rigid cylinder (bolt). The study was carried out on contrasting examples of materials and schemes of reinforcement of plates made of PСM, taking into account possible clearance between bolt and hole in the real range: from zero to 1% of diameter. Methodology of implementation. Numerical calculations were made using the finite element method (contact problem) for the BJ of plates made of layered PCM. 3D orthotropy of each monolayer was provided. Three simple formulas of express analysis were tested. The results are summarized in the tables and many illustrations are given. Research results. Numerical estimates of depending of the SCF in zone of the surface of the bolt-hole from considered factors are obtained. The factors are the material characteristics, the schemes of reinforcement of plates made of layered PСM and the values of the clearance between bolt and hole in the plates, as well as the accuracy of the considered formulas. Conclusions. Changing the material and the scheme of reinforcement of plate made of layered PСM leads to a significant change in the values of maximum stresses and SCF in zone of the bolt-loaded hole in the weakened by hole cross section of a plate. Considered formulas of the express analysis have insufficient accuracy for consideration of contrast properties of materials and schemes of reinforcement of a plate. Changing size of clearance between bolt and hole in the range from zero to 1% of the diameter leads to relatively small changes in SCF: up to 10% maximum. Additional research is needed.

Highlights

При цьому бажано застосовувати експрес-аналіз: розрахунки по простих формулах достатньої точності
У процесі конструювання бажано мати прості формули, які дозволяють провести із задовільною точністю розрахунок міцності запропонованого конструктивного рішення, тобто так звану експрес-оцінку
Тобто робили його дуже жорстким, щоб практично виключити вигин “болта” та наблизити розв’язок до умов отримання формули (3)

Summary

Коефіцієнти Пуассона

Тобто робили його дуже жорстким, щоб практично виключити вигин “болта” та наблизити розв’язок до умов отримання формули (3). Значення еквівалентних модулів пружності (E XX )n ⋅10−5 й (EXX )ekv ⋅10−5 (МПа), для формули (9). 2. Таблиця та графік залежності ККН αizo від величини бічного зазору (між отвором в ізотропній пластині та жорстким “болтом”) δ , мкм, ς = 1 / 6 (червона – лінія тренду). У таблиці 2 для формули (9) наведені значення еквівалентних модулів пружності (отримані з використанням “інструмента” діалогу Layups із Femap). Тому всі наступні розв’язки були отримані за умови ε ≤ 0.1%, а для деяких схем укладання – навить ε ≤ 0.01% (щоб збільшити кількість контактних ітерацій хоча б до 10). Значення максимального напруження σ1 ⋅10−3 , МПа, на поверхні отвору в пластини, який взаємодіє з жорстким “болтом” (без тертя), при навантаженні q , яке викликає в послабленому перерізі σnom = 103 МПа

Ізотропний матеріал

Обговорення результатів