DOI: https://doi.org/10.20998/2413-4295.2019.05.02

Моделювання напружено-деформованого стану роз'ємного з'єднання в деталях з армованих композиційних матеріалів методом СЕА

Andriy Dovgopolov, Sergiy Nekrasov, Dmytro Zhyhylii

Анотація


З метою дослідження міцності запропонованого роз’ємного з’єднання з круглою різьбою для деталей, виготовлених з армованих композиційних матеріалів, було проведене моделювання напружено-деформованого стану з використанням системи скінченно-елементного аналізу LS-DYNA. Моделювання напружено-деформованого стану, відбувалося для різьбового з’єднання з круглою різьбою, основними параметрами, що впливають на працездатність, якого вважаються p – крок різьб (p = 4 мм), і t – глибина профілю різьби (t = 1 мм) (профіль зображено на рис. 2) згідно з
ISO 10208 та DIN 20317. Основні параметри різьби, що брали для моделювання, були наближені до параметрів, які має метрична різьба М6 (ГОСТ 24705-81).
Гайка з армованих композиційних матеріалів із круглою внутрішньою різьбою та металева вставка із зовнішньою різьбою для проведення моделювання були виконанні у вигляді 3D-CAD-моделей у графічному редакторі SOLIDWORKS, для скорочення часу розрахунків із з’єднання був вирізаний окремий сегмент. Створення скінченно-елементної сітки також виконане засобами цього графічного редактора, до складу якого входить модуль COSMOSWORKS, що має вбудований генератор даної сітки. Розмір скінченних елементів гайки з армованого композита вибирали виходячи з того, щоб розрахунок займав прийнятний час. Розмір грані скінченного елемента становив від 0,05 до 0,15 мм. Механічні характеристики армованого композиційного матеріалу отримували експериментальним шляхом та вносили до командного файлу LS-DYNA за допомогою двох ключових слів:
*MAT_COMPOSITE_DAMAGE – модель матеріалу тип 22 та *MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC – модель матеріалу тип 10. Поєднання цих ключових слів при створенні моделі анізотропного тіла дозволило в повному обсязі задати всі механічні властивості армованого склопластикового матеріалу для моделювання. Одержані в результаті основні показники міцності виявилися на досить високому рівні – максимальна сила, яку витримало з’єднання, згідно з даними моделювання становила Fmax = 13,76 кН.
Максимальні напруження та деформації згідно з опрацьованими в постпроцесорі LS-PrePost-2.4 даними моделювання варіюються в досить високих межах, що підвереджує гіпотезу адекватної роботи роз’ємного різьбового з’єднання з круглою різьбою в деталях, виготовлених з армованих композитів, через відсутність гострих концентраторів напружень та дає підставу для подальшого проведення експериментального дослідження міцності.


Повний текст:

PDF

Посилання


Schürmann, H. Konstruiren mit Faser-Kunststoff Verbunden. Springer-Verlag, 2, 2007, 672, doi:10.1007/978-3-540-72190-1.

Marannano, G., Zuccarello, B. Numerical experimental analysis of hybrid double lap aluminum-CFRP joints. Compos. B Eng., 2015, 71, 28-39, doi:10.1016/j.compositesb.2014.11.025.

Rhee, K. Y., Yang, H. A. A study on the peel and shear strength of aluminum/CFRP composites surface-treated by plasma and ion assisted reaction method. Compos. Sci Technol., 2003, 63(1), 33-40, doi:10.1177/0021998316636458.

Sen, F., Kemal A. Effects of Using Different Metal Materials on Stresses in Metal-Composite Hybrid Joints. Cankaya University Journal of Science and Engineering (CUJSE), 2011, 1, 1-13.

Vorobey, V. V. Sirotkin, O. S. Construction joints in composite materials Mashebuilding, 1985, 168.

Adam, L., Buvet, C., Castanié, B., Daidié, A., Bonhomme, E. Discrete ply model of circular pull-through test of fasteners in laminates. Compos. Struct., 2012, 94 (10), 18-32, doi:10.1016/j.compstruct.2012.05.008.

Catalanotti, G., Camanho, P. P., Ghys, P., Marquez, A. T. Experimental and numerical study of fastener pull-through failure in GFRP laminates. Compos.Struct., 2011, 94(1), 28-38, doi:10.1016/j.compstruct.2011.06.021.

Elder, D. J., Verdaasdonk, A. H., Thomson R. S. Fastener pull-through in a carbon fibre epoxy composite joint. Compos. Struct., 2008, 86, 1-3, doi: 10.1016/j.compstruct.2008.03.041.

Komarov, G. V. Soyedineniya detaley iz polimernykh materialov. St. Petersburg, 2006, 592.

ISO 10208. Rock drilling equipment, left-hand rope threads (1991).

DIN 20317. Rock drilling – Round thread connections for percussive drilling equipment – Dimensions, design (2014).

GOST 24705–81 Osnovnyie normyi vzaimozamenyaemosti. Rezba metricheskaya. Osnovnyie razmeryi [Basic standards of interchangeability. Metric thread. Main dimensions].

Krivoruchko, D. V., Zaloga, V. A., Korbach, V. G. Osnovi 3D-modelyuvannya protsesiv mehanichnoyi obrobki metodom skinchenih elementiv : navchalniy posibnik [Fundamentals of 3D modeling of machining processes by the finite element method: tutorial], Sumi, Vid-vo SumDU, 2010, 208.

Vereschaka, S. M. Uprugie postoyannyie i obobschennyie harakteristiki zhestkosti materiala sloistoy strukturyi, Vestnik Nats. tehn. un-ta "KhPI" : sb. nauch. tr. Temat. vyip. : Dinamika i prochnost mashin [Bulletin of the National tech un "KhPI": Dynamics and strength of machines], 2008, 36, 29-40.


Пристатейна бібліографія ГОСТ


  1. Schürmann, H. Konstruiren mit Faser-Kunststoff Verbunden / H. Schürmann // Springer-Verlag. Berlin Heidelberg. Ausgabe. – 2007. – № 2. – 672 p. – doi:10.1007/978-3-540-72190-1.
  2. Marannano, G. Numerical experimental analysis of hybrid double lap aluminum-CFRP joints / G. Marannano, B. Zuccarello // Compos. B. Eng. – 2015 – № 71. – Р. 28-39. –doi:10.1016/j.compositesb.2014.11.025.
  3. Rhee, K. Y. A study on the peel and shear strength of aluminum / CFRP composites surface-treated by plasma and ion assisted reaction method / K. Y. Rhee, H. A. Yang // Compos. Sci. Technol. – 2003. – № 63 (1). – Р. 33-40. –doi: 10.1177/0021998316636458.
  4. Sen, F. Effects of Using Different Metal Materials on Stresses in Metal-Composite Hybrid Joints / F. Sen, А. Kemal // Cankaya University Journal of Science and Engineering (CUJSE). – 2011. – Vol. 8. – № 1. – P. 1-13.
  5. Воробей, В. В. Соединения конструкций из композиционных материалов / В. В. Воробей, О. С. Сироткин. – Л.: Машиностроение, 1985. – 168 с.
  6. Adam, L. Discrete ply model of circular pull-through test of fasteners in laminates. / L. Adam, C. Buvet, B. Castanié, A. Daidié, E. Bonhomme // Compos. Struct. – 2012. – № 94(10). – Р. 18-32. – doi: 10.1016/j.compstruct.2012.05.008.
  7. Catalanotti, G. Experimental and numerical study of fastener pull-through failure in GFRP laminates / G. Catalanotti, P. P.Camanho, P. Ghys, A. T. Marquez // Compos. Struct. – 2011. – № 94(1). – Р 28-38. –doi: 10.1016/j.compstruct.2011.06.021.
  8. Elder, D. J. Fastener pull-through in a carbon fibre epoxy composite joint / D. J. Elder, A. H. Verdaasdonk, R. S. Thomson // Compos. Struct. – 2008. – № 86. – Р. 1-3. –doi: 10.1016/j.compstruct.2008.03.041.
  9. Комаров Г. В. Соединения деталей из полимерных материалов / Г. В. Комаров. – Санкт-Петербург : Изд-во Профессия, 2006. – 592 с.
  10. ISO 10208. Rock drilling equipment left-hand rope threads (1991).
  11. DIN 20317. Rock drilling – Round thread connections for percussive drilling equipment – Dimensions, design (2014).
  12. ГОСТ 24705–81. Основные нормы взаимозаменяемости. Резьба метрическая. Основные размеры.
  13. Криворучко, Д. В. Основи 3D-моделювання процесів механічної обробки методом скінчених елементів : навчальний посібник / Д. В. Криворучко, В. О. Залога, В. Г. Корбач. – Суми: Вид-во СумДУ, 2010. – 208 c.
  14. Верещака, С. М. Упругие постоянные и обобщенные характеристики жесткости материала слоистой структуры / С. М. Верещака // Вестник Нац. техн. ун-та «ХПИ» : сб. науч. тр. Темат. вып. : Динамика и прочность машин. – Харьков : НТУ «ХПИ», 2008. – № 36. – С. 29-40.