Badanie i modelowanie połączeń nitowych w lotniczych strukturach kompozytowych
Streszczenie
Zaprezentowana praca dotyczy badania i modelowania połączeń nitowych w zbrojonym
włóknem szklanym kompozycie polimerowym. Całość została podzielona na dwie zasadnicze
części. Pierwsza z nich dotyczy wiedzy teoretycznej związanej z jej tematyką, natomiast
druga odnosi się do badań eksperymentalnych oraz omówienia ich wyników.
W części teoretycznej dysertacji dokonano przeglądu współczesnej literatury, na
podstawie której przedstawiono definicje podstawowych terminów stosowanych w pracy,
budując siatkę pojęciowo-znaczeniową. Sklasyfikowano materiały kompozytowe oraz
przedstawiono budowę i właściwości poszczególnych ich komponentów. W jej dalszej części
opisane zostały metody wytwarzania wyrobów kompozytowych, lecz z uwagi na ich mnogość
oraz tematykę dysertacji ograniczono je wyłącznie do metod stosowanych w wytwarzaniu
elementów konstrukcji lotniczych. Opisano także zastosowanie kompozytów w cywilnych
i wojskowych konstrukcjach lotniczych, podając przykłady ich implementacji. Dalszą część
pracy poświęcono degradacjom w kompozytach zbrojonych włóknami ciągłymi. Z uwagi na
związek z pracą opisane zostały wybrane degradacje mechaniczne występujące w tego typu
laminatach, takie jak: imperfekcje spoiwa, delaminacje czy zniszczenia włókien. Określono
i opisano globalne modele zniszczeń laminatów w połączeniach mechanicznych. Kolejna
część pracy stanowi opis matematyczny zjawisk dotyczących uszkodzeń laminatów, który
współcześnie używa się do modelowania tego typu zjawisk fizycznych. Stanowią je kryteria
zniszczeń. Kolejny rozdział dysertacji opisuje metody łączenia lotniczych elementów
kompozytowych. Opisano w nim połączenia klejone i nitowane, podając ich typowe modele.
W ramach tej części pracy, z uwagi na jej tematykę, uwagę skupiono na wiedzy dotyczącej
nitonakrętek. Po części teoretycznej dokonano próby oceny stanu wiedzy w obszarze badań
na podstawie dostępnej literatury. W oparciu o nią zaproponowano metodykę prowadzenia
eksperymentalnych badań naukowych. W ramach niej określono przedmiot, cel i tezę pracy
oraz postawiono zadania badawcze.
Druga z zasadniczych, eksperymentalna część dysertacji, poprzedzona została opisem
eksperymentalnych i teoretycznych metod zastosowanych w celu rozwiązania problemów
badawczych. Opisane zostały w niej autorsko zaprojektowane stanowiska pomiarowe oraz
zastosowane algorytmy. Część eksperymentalną podzielono na dwa rodzaje badań.
W pierwszym z nich dokonano szeregu eksperymentów określających możliwości stosowania
połączeń nitowych w kompozytach konstrukcyjnych. Określono i zidentyfikowano problemy
badawcze występujące w tego typu połączeniach. Na te potrzeby z kompozytu GFRP
9zbudowano szereg próbek oraz układ badawczy, w którym dokonano prób na maszynie
wytrzymałościowej. Przeprowadzono analizę: sił, sztywności, zniszczeń oraz rozkładów
odkształceń pionowych w badanych laminatach. Tę część pracy podsumowano wnioskami.
Druga część badań eksperymentalnych dotyczyła połączeń nitonakrętkowych w laminatach.
W tym celu wykorzystano wcześniej zbudowane kompozyty warstwowe, z których, zgodnie
z przyjętymi modelami, zbudowano i połączono próbki. W oparciu o zaprojektowany układ
oraz maszynę wytrzymałościową dokonano prób wytrzymałościowych. Na podstawie
wyników określono: przebiegi sił, modele oraz formy zniszczeń, a także w wybranych
połączeniach rozkłady odkształceń pionowych w oparciu o dwie komplementarne metody
badawcze – cyfrową korelację obrazu oraz metodę elementów skończonych. Dzięki nim
możliwe było oszacowanie poprawności otrzymanych wyników. Na tym etapie badań
wykorzystano nitonakrętki stalowe oraz ze stopów aluminium, dzięki którym zbudowano
modele połączeń, takie jak: pojedyncza i podwójna zakładka, oraz podwójna zakładka
z częścią metalową. Druga z części eksperymentalnych została zakończona wyciągnięciem
wniosków.
Na podstawie wyników badań, uzyskanych w procesie badawczym w dysertacji
określono możliwości stosowania połączeń zbudowanych z nitonakrętek w lotniczych
strukturach kompozytowych. Całość pracy podsumowano wnioskami oraz przedstawiono
perspektywę prowadzenia badań w obszarze materiałów kompozytowych oraz połączeń
nitonakrętkowych dotyczących struktur lotniczych. Presented work concerns the research on riveting connections and modelling in Glass
Fibre Reinforced Plastics (GFRP). The work is divided into two main parts. The first concerns
the theoretical knowledge related to the subject of the work, while the second refers to the
experimental studies and describes their results.
In the theoretical part of the dissertation the review of the contemporary literature was
conducted, on the basis of which the definitions of basic terms used in the work were shown,
by building a conceptual-semantic grid. The composite materials were classified as well as the
construction and properties of the individual components were depicted. In the further part the
methods of manufacturing composite products were presented, but because of their multitude
and the topic of the dissertation, they were limited only to the methods used in the
manufacturing of aviation structural components. Also there was described the use of
composites in civil and military aviation designs, giving examples of their implementation.
The further chapters are devoted to the degradation in Fibre Reinforced Polymer (FRP).
Because of the relationship with the work there were described only selected mechanical
degradations occurring in these types of laminates, such as: matrix imperfections,
delamination and fibres destruction. Global failure modes in laminates were specified and
described. The further part of the work is the mathematical description of phenomena relating
to laminates damage, which currently are used for modelling of this type of physical
phenomena. There are criteria for them. The next chapter describes the bonding methods of
composite elements in aviation industries. There were presented adhesive joints and riveted
connections, giving their literature typical models. Within this part of the work, because of its
theme, the attention was focused on the knowledge of the rivet nuts. After the theoretical part,
on the basis of the available literature, the state of knowledge in the field of research was
assessed. On the basis of it, the methodology of conducting experimental research was carried
out. This way the subject, the aim and the work thesis were specified and research tasks were
defined.
The second essential, experimental part of the dissertation was preceded by
a description of the experimental and theoretical research methods used to address the issues.
Within it there were described designed measuring positions and applied algorithms. The
experimental part is divided into two types of research. The first of these was a series of
experiments that determine the applicability of riveting in construction composites. Research
issues that occur in this type of connection were identified and specified. To meet these needs
11a number of samples were built using GFRP materials together with the test system, in which
the trials on tensile machine were conducted. The following issues were analysed: destruction
and feed forces, stiffness modulus, failure modes and the vertical deformation distributions on
the tested laminates. This part of the work is summarized with certain conclusions. The
second part of the experimental studies concerned rivet nuts laminates connections. To this,
we used the previously constructed composites, from which samples were built and
connected, in accordance with the adopted models. On the basis of the designed layout and
tensile machine, endurance tests were performed. Relying on the results the following were
specified: courses of forces, failure modes, forms of destruction, as well as vertical
deformation distributions in selected connections, based on two complementary research
methods – Digital Image Correlation (DIC) and Finite Element Method (FEM). Thanks to
them it was possible to estimate correctness of the obtained results. In this stage, the rivet nuts
made of steel and aluminium alloy were used to build the connection models such as: single
and double tab, and double tab with a metal part. The second part of the experimental phase
was completed with some conclusions.
On the basis of the results obtained in the research process in this dissertation, the
possibilities of using composite connections of rivet nuts in aviation manufactured structures
were determined. The whole work is summarized with synthetic conclusions and it includes
prospect of research in the area of composite materials and rivet nuts connections on the
aviation structures.
Kolekcje
Korzystanie z tego materiału jest możliwe zgodnie z właściwymi przepisami o dozwolonym użytku lub o innych wyjątkach przewidzianych w przepisach prawa, a korzystanie w szerszym zakresie wymaga uzyskania zgody uprawnionego.