DOI: https://doi.org/10.20998/2413-4295.2020.03.03

Дослідження впливу пружніх характеристик армованого композиційного матеріалу на міцність гвинтового з’єднання з круглою різьбою

Andriy Dovgopolov, Sergiy Nekrasov, Dmytro Zhyhylii

Анотація


З метою дослідження впливу пружніх характеристик армованого композиційного матеріалу на міцність роз’ємного гвинтового з’єднання з круглою різьбою, був проведений комплекс експериментів із його визначення. Оскільки, запропонована авторами в попередніх наукових працях скінченно-елементна імітаційна модель роз’ємного гвинтового з’єднання з круглою різьбою, була підтверджена експериментальним дослідженням, було вирішено використати її, для дослідження впливу пружніх характеристик армованого композиту на міцність представленого гвинтового з’єднання з круглою різьбою. Дослідження проводилося із використанням імітаційної моделі гвинтового з’єднання в системі скінчено елементного аналізу LS-DYNA. В нашому випадку армований матеріал вважався – односпрямованим ортотропним матеріалом, для якого згідно з розрахунковими залежностями С. М. Верещаки, найбільший вплив на пружні характеристики має параметр ψ1 – відносна площа арматури в площині перерізу в поздовжньому напрямку. Саме її було вирішено змінювати в дозволених межах, щоб отримати дані про вплив пружніх характеристик на міцність гвинтового з’єднання в армованому композиті. Основні параметри гвинтового з’єднання для проведення дослідження вибирали за конкретною схемою, яка підходить для повного факторного експерименту за класичною схемою його виконання. У нашому випадку побудова матриці повного факторного експерименту була реалізована на двох рівнях за трьома факторами. Таким чином була реалізована матриця типу 23. У зазначеному дослідженні глибина профілю різьби t змінювалася в межах 0,5 ≤ t ≤ 1,0, крок різьби p – у межах 1,0 ≤ p ≤ 4,0, а параметр ψ1  – в межах 0,1 ≤ ψ1 ≤ 0,7. В результаті проведеного в роботі дослідження отримали, що максимальні показники міцності будуть для гвинтового з’єднання з такими основними геометричними параметрами: значення кроку ‑ р = 4 мм, а значення глибини профілю різьби ‑ t = 0,8 мм, значення відносного об’ємного вмісту арматури шару в поздовжньому напрямку ‑ ψ1=0,7. Значення максимальної сили яку витримає з’єднання із основними параметрами зазначеними вище, складатиме Rmax= 22,5 кН.


Ключові слова


армовані композиційні матеріали (АКМ); роз’ємне гвинтове з’єднання; моделювання; міцність; кругла різьба; пружні характеристики

Повний текст:

PDF

Посилання


Schürmann H. Konstruiren mit Faser-Kunststoff Verbunden. Springer-Verlag, 2007, no. 2. Available at: https://www.springer.com/de/book/9783540721895 (Accessed: 22 February 2019).

Marannano G. Zuccarello B. Numerical experimental analysis of hybrid double lap aluminum-CFRP joints. Compos. B. Eng, 2015, Vol. 71, pp. 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, Vol. 63 (1), pp. 33-40, doi: 10.1177/0021998316636458.

Sen F., Kemal А. Effects of Using Different Metal Materials on Stresses in Metal-Composite Hybrid Joints. Cankaya University Journal of Science and Engineering (CUJSE), 2011, Vol. 8(1), pp. 1-13.

Vorobey V. V. Sirotkin O. S. Soedineniya konstrukczij iz kompoziczionny`kh materialov [Construction joints in composite materials] L., Engineering, 1985. 168 p.

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, no. 94(10), pp. 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, no. 94(1). pp. 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, no. 86, pp. 1-3, doi: 10.1016/j.compstruct.2008.03.041.

Dovhopolov A. Y., Nekrasov S. S., Zhyhylii D. O., Modeliuvannia napruzheno-deformovanoho stanu roziemnoho ziednannia v detaliakh z armovanykh kompozytsiinykh materialiv metodom SEA [Strain-stress states simulation of detachable joint for reinforced composites by FEM] Visnyk Natsionalnoho tekhnichnoho universytetu «KhPI». Seriia: Novi rishennia v suchasnykh tekhnolohiiakh, 2019, no. 5 (1330), pp. 10-17. doi: 10.20998/2413-4295.2019.05.02.

Dovhopolov A. Y., Nekrasov S. S. Doslidzhennia mitsnosti roziemnoho rizbovoho ziednannia z velykym krokom u detaliakh z armovanykh kompozytsiinykh materialiv [Research into strength of the thread detached connection with a large pitch of thread in designs made of reinforced composite material] Visnyk Natsionalnoho tekhnichnoho universytetu «KhPI». Seriia: Novi rishennia v suchasnykh tekhnolohiiakh, 2018, no. 16 (1292). pp. 22-26. doi: 10.20998/2413-4295.2018.16.04.

Vereschaka S. M. Uprugie postoyannyie i obobschennyie harakteristiki zhestkosti materiala sloistoy strukturyi [Elastic constant and generalized characteristics of the stiffness of the material of the layered structure] Vestnik Nats. tehn. un-ta «HPI»: sb. nauch. tr. Temat. vyip.: Dinamika i prochnost mashin, 2008, no. 36,pp. 29-40.

ASTM D3171-15, Standard Test Methods for Constituent Content of Composite Materials, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015.

Vereshchaka S. M. Mekhanika kompozytsiinykh materialiv : navchalnyi posibnyk [Mechanics of composite materials], Sumy, Edition SumDU, 2013. 160 p.


Пристатейна бібліографія ГОСТ


  1. Schürmann H. Konstruiren mit Faser-Kunststoff Verbunden. Springer-Verlag. Berlin Heidelberg. Ausgabe. 2007. № 2. URL: https://www.springer.com/de/book/9783540721895 (дата звернення: 22.02.2019).
  2. Marannano G. Zuccarello B. Numerical experimental analysis of hybrid double lap aluminum-CFRP joints. Compos. B. Eng, 2015. № 71. Р. 28-39. doi: 10.1016/j.compositesb.2014.11.025.
  3. 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). Р. 33-40. doi: 10.1177/0021998316636458.
  4. Sen F., Kemal А. Effects of Using Different Metal Materials on Stresses in Metal-Composite Hybrid Joints. Cankaya University Journal of Science and Engineering (CUJSE), 2011. Vol. 8. № 1. P. 1-13.
  5. Воробей В. В. Сироткин О. С. Соединения конструкций из композиционных материалов. Л.: Машиностроение, 1985. 168 с.
  6. 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). Р 18-32. doi: 10.1016/j.compstruct.2012.05.008.
  7. 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). Р 28-38. doi: 10.1016/j.compstruct.2011.06.021.
  8. Elder D. J., Verdaasdonk A. H., Thomson R. S., Fastener pull-through in a carbon fibre epoxy composite joint. Compos. Struct. 2008. № 86. Р. 1-3. doi: 10.1016/j.compstruct.2008.03.041.
  9. Довгополов А. Ю., Некрасов С. С., Жигилій Д. О. Моделювання напружено-деформованого стану роз’ємного з'єднання в деталях з армованих композиційних матеріалів методом СЕА. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних технологіях: зб. наук. пр. Харків: НТУ «ХПІ». 2019. № 5 (1330). С. 10‑17. doi: 10.20998/2413-4295.2019.05.02.
  10. Довгополов А. Ю., Некрасов С. С. Дослідження міцності роз’ємного різьбового з’єднання з великим кроком у деталях з армованих композиційних матеріалів. Вісник Національного технічного університету «ХПІ». Серія: Нові рішення в сучасних технологіях: зб. наук. пр. Харків: НТУ «ХПІ». 2018. № 16 (1292). С. 22‑26. doi: 10.20998/2413-4295.2018.16.04.
  11. Верещака С. М. Упругие постоянные и обобщенные характеристики жесткости материала слоистой структуры. Вестник Нац. техн. ун-та «ХПИ»: сб. науч. тр. Темат. вып.: Динамика и прочность машин.
    Харьков : НТУ «ХПИ». 2008. № 36. С. 29-40.
  12. ASTM D3171-15, Standard Test Methods for Constituent Content of Composite Materials, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015.
  13. Верещака С. М. Механіка композиційних матеріалів : навчальний посібник. Суми : Вид-во СумДУ, 2013. 160 с.