Muovikomposiittilaminaatilla vahvistetun metallirakenteen väsymiskestävyyden laskennallinen määritys
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Authors
Date
2012
Department
Major/Subject
Lentotekniikka
Mcode
Kul-34
Degree programme
Language
fi
Pages
ix + 97 s. + liitt. 24
Series
Abstract
The purpose of this thesis is to study the analytical and numerical methods available for analyzing the fatigue life of metallic structures with bonded composite repairs. The focus is on thin cracked aluminum plates and single-sided composite repairs. The cracks are through-cracks located in the center of the aluminum plates. The metallic structures are supported or unsupported structures under tension loading. Thermal residual stresses and secondary bending effects will be taken into account in the studies. Stop-drilling holes at the ends of the crack will not be considered. The thesis will cover a literature survey, which will comprise past studies on the subject, instructions on modeling the bonded structure, and computational methods to assess the stress distribution, static strength and fatigue life of a cracked aluminum plate with a bonded composite repair. The main objective of this thesis is to model a cracked aluminum plate with a bonded composite repair and evaluate its stress distribution and fatigue life by different methods. The stress distribution will be determined by analytical and finite element (FE) method, whereas the fatigue life will be determined with analytical methods and AFGROW-software. The modelling of the composite laminate will be made with ESAComp. FE-modelling will be carried out with Abaqus/CAE and Franc2DIL. To validate the results, the obtained fatigue lives are compared to the experimental results conducted in the Laboratory of Lightweight Structures of the Aalto University's Department of Applied Mechanics. According to the results, Abaqus/CAE-model was able to predict an acceptable fatigue life for the examined structure compared to the experimental results. Abaqus/CAE proved also to be the most versatile software for analyzing the metallic structure with the bonded composite repair. Other methods were not capable of modelling the examined structure correctly due to their features and limitations, which is why the results varied considerably.Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia muovikomposiittilaminaateilla vahvistettujen metallirakenteiden väsymiskestävyyden analysointiin kehitettyjä laskentamenetelmiä. Työ rajataan ohuisiin säröllisiin alumiinilevyihin sekä liimaamalla kiinnitettäviin yksipuolisiin muovikomposiittilaminaatteihin. Säröt ovat läpisäröjä, jotka sijaitsevat keskellä metallilevyä. Rakenteet voivat olla joko tuettuja tai tukemattomia rakenteita, joihin pääsääntöisesti kohdistuu säröä avaava vetokuormitus. Yksipuolisesti vahvistetun rakenteen epäsymmetriasta johtuvat taivutusmomentit sekä liiman kovetuksen jälkeiset jäännösjännitykset otetaan huomioon tarkasteluissa. Särön pääteporaus jätetään tarkastelun ulkopuolelle. Työn osana tehdään kirjallisuusselvitys, jossa käydään läpi metallirakenteen vahvistamiseen liittyviä tutkimuksia, vahvistetun metallirakenteen mallinnukseen sovellettavia ohjeita sekä vahvistetun metallirakenteen jännitysjakauman, staattisen lujuuden ja väsymiskestävyyden arvioimiseen käytettäviä laskentamenetelmiä. Työn keskeisenä osana mallinnetaan muovikomposiittilaminaatilla vahvistettu säröllinen alumiinilevy ja määritetään rakenteen jännitysjakauma sekä väsymiskestävyys. Rakenteen jännitysjakauman määrittämiseen käytetään kirjallisuusselvityksessä löydettyjä analyyttisia laskentamenetelmiä sekä FE-menetelmää. Väsymiskestävyyden määrittämiseen käytetään kirjallisuusselvityksessä löydettyjä analyyttisia laskentamenetelmiä ja AFGROW-ohjelmaa. Muovikomposiittilaminaatin mallinnus tehdään ESAComp-ohjelmalla ja FE-mallinnus AbaquS/CAE- ja Franc2D/L-ohjelmilla. Vahvistetun alumiinilevyn väsymiskestävyyden todentamiseen käytetään Aalto-yliopiston Sovelletun mekaniikan laitoksen Kevytrakennetekniikan laboratoriossa tehtyjen väsytyskokeiden tuloksia. Lopuksi näitä referenssituloksia verrataan sekä analyyttisten että numeeristen menetelmien avulla saatuihin tuloksiin. Tulosten perusteella Abaqus/CAE-mallilla saatiin tässä työssä tarkastelulle rakenteelle väsymiskokeisiin nähden tyydyttävät väsymisikä. Abaqus/CAE osoittautui myös monipuolisimmaksi ohjelmaksi muovikomposiittilaminaatilla vahvistetun metallirakenteen analysointia varten. Muiden työssä tutkittujen menetelmien ominaisuuksista ja rajoituksista johtuen työssä tarkasteltavaa rakennetta ei pystytty mallintamaan oikein, minkä vuoksi menetelmillä saadut tulokset erosivat huomattavasti toisistaan.Description
Supervisor
Saarela, OlliThesis advisor
Koski, KeijoViitanen, Tomi
Keywords
aluminum plate, alumiinilevy, bonded composite repair, muovikomposiittilaminaatti, fatigue life, väsymisikä