FEA Study on Strength Optimization of Hybrid Bolted/Bonded Composite Joints

Abstract

The joining of composite materials remains challenging as bolted joints, consisting of a bolt, nut and washer assembly, that work well for metallic plates may induce considerable damage at the bolt hole in composite laminates. Bonded joints seem to be a good alternative to bolted joints avoiding potentially induced damage due to drilling of the laminate, as well as stress concentration effects. However, bonded joints are challenging to certify in the aerospace industry due to their considerable variation in performance. Hybrid bolted/bonded (HBB) joints were found to be a good compromise for a fail-safe bonded joint. Nevertheless, optimizing such joints by allowing the bolt assembly (bolt, nut and washer) to contribute to improving the strength rather than for satisfying the failsafe design constraint requires a deep understanding of the joining mechanisms, such as the stress distribution in the laminate and the adhesive, as well as the interaction between the bolts and the adhesive. This research has permitted a further understanding of the behaviour of HBB joints loaded in tensile shear. Woven fabric carbon fibre reinforced polymer (CFRP) laminates in quasiisotropic (QI) and cross-ply (CP) configurations were investigated. Using a finite element analysis (FEA) simulation, several critical design factors influencing the composite joint strength, failure conditions as well as load sharing mechanisms were assessed. The stiffness and plastic behaviour of the adhesive was found to be an important factor that defines the transition of the behaviour of the joint from a bolted type, where load sharing is predominant, to bonded. At the same time, the adhesive contributes to a significant decrease of the shear stress concentration factor at the holes in 0◦ plies. The simulation results confirmed the redundancy of the middle bolt in a 3 bolt joint observed by previous researchers for HBB joints. The load sharing potential, known as an indicator of the joint’s performance, is improved by reducing the overlap length, using low stiffness, low yield strength adhesives and thicker laminates in the QI layup configuration. As for the influence of some design parameters of the joint on its strength; it is beneficial to increase the ratio of edge distance to hole diameter, but the increase of the washer size did not appreciably reduce the stress state in the adhesive layer in terms of shear and peel stresses.

L’assemblage de matériaux composites demeure difficile puisque les joints boulonnés, offrant de bonnes performances avec des plaques métalliques, sont non optimaux de par les dommages considérables provoqués aux trous des laminés de composites. Les joints collés semblent être une bonne alternative aux joints boulonnés puisque le laminé est assuré de ne pas être endommagé due au perçage des trous et l’absence de trou dans le laminé enlèvera une source de concentration de contrainte. Toutefois, dans le domaine de l’aéronautique, les joints collés sont difficiles à certifier puisque leur performance varie significativement. C’est pourquoi les joints hybrides boulonnés/collés ont été adoptés, en utilisant les boulons comme une redondance au joint collé. Par contre, l’optimisation de ce type de joint, en vue d’utiliser les boulons de manière plus efficace, demande une compréhension exhaustive des mécanismes des différents types de joint, tels que la distribution des contraintes dans le laminé et l’adhésif, et l’interaction entre l’assemblage boulonné (boulon, écrou et rondelle) et la couche d’adhésif. Des stratifiés de tissus à plis croisés et quasi-isotrope de polymère renforcé par des tissus de fibres de carbone ont été investigués. En utilisant un modèle par éléments finis, plusieurs paramètres de design influençant la résistance des joints de composites, leur mode de défaillance ainsi que leur mécanisme de partage de charge ont été étudiés. Il a été trouvé que la rigidité de l’adhésif ainsi que son comportement plastique est un facteur important définissant la transition entre un comportement similaire au joint boulonné, invoquant un partage de charge, à celui du joint collé. De plus, l’adhésif est identifié comme réduisant considérablement la concentration de contraintes de cisaillements aux trous dans les plis 0◦ en comparaison avec les joints boulonnés. La simulation a confirmé la redondance du boulon central dans les joints hybrides utlisant 3 boulons tel qu’observé par d’autres chercheurs pour les joints hybrides. La simulation a montré que le potentiel de partage de charge entre l’adhésif et les boulons, identifié par des chercheurs comme étant clé pour augmenter la résistance des joints hybrides, est augmenté pour les conditions suivantes: une distance de chevauchement plus faible, l’utilisation d’un adhésif moins rigide avec une faible limite élastique, une épaisseur de laminé plus épais et l’utilisation d’un stratifié à plis quasi-isotrope. Toutefois, bien que certains facteurs augmentent le potentiel de partage de charge, la réalisation de ce phénomène avant que le dommage soit initié dans le joint est peu probable et difficile. De ce fait d’autres facteurs permettant potentiellement d’augmenter la résistance des joints hybrides sans miser sur le partage de charge. Il a été trouvé qu’une diminution du ratio de la distance du bord extérieur par rapport au diamètre du trou réduit la résistance du joint et qu’une augmentation du diamètre de la rondelle aura un effet négligeable sur l’initiation du dommage dans l’adhésif à moins qu’elle couvre complètement l’extrémité du chevauchement.