Modelling the damage formation of bolted carbon fiber reinforced epoxy composite joints at increasing strain rates

Abstract

The bearing strength of a carbon fiber reinforced/epoxy unidirectional composite joint incorporating a single hex bolt fastener was investigated under quasi-static and dynamic loads experimentally and numerically with two different bolt torques, 2.5 N m and 10 N m. The tests were conducted with neat fit clearance and without washer. The quasi-static tests were conducted at 3.33x10-5 and 1.66 x10-3 m s-1 according to the ASTM D5961 Procedure C. The dynamic tests were conducted in at Tension Split Hopkinson Pressure Bar (TSHPB) at 12.68 m s-1 using a specially designed specimen grip to ensure the same conditions as the quasi-static tests. Three dimensional explicit finite element models of bearing tests were developed in the LS-DYNA and the composite was modelled using the MAT_162 composite material model incorporating the strain rate effects. At the quasi-static velocities, a relatively low strain rate dependence of bearing peak force was found with almost no effect of applied bolt torque. In the TSHPB tests, the bearing force increased by 57% of those of quasi-static tests. The deformation mode also altered in dynamic tests and the increase of the bolt torque resulted with increasing the bearing peak force by 5%.

Tek bir altıgen civata bağlantı elemanı içeren tek yönlü kompozit bağlantılarının mekanik davranışı hem deneysel hem de sayısal olarak 2.5 Nm ve 10 Nm'lik iki farklı civata torku ile yarı statik ve dinamik yükleme koşulları altında incelendi. Testler sıkı geçme,3'lük sabit E/D oranı, 6'lık sabit W/D oranı ile rondelasız olarak gerçekleştirildi. Yarı statik testler Prosedür C'ye göre 3.33 x10-5 ve 1.66 x10-3 m s-1 olmak üzere iki farklı yükleme hızında gerçekleştirildi. Dinamik testler TSHPB (Tension Split Hopkinson Pressure Bar) ile yarı statik testlerle aynı koşulları sağlamak için iki adet aparat kullanılarak 12.68 m s-1 yükleme hızında gerçekleştirildi. Test edilen numunelerin üç boyutlu sonlu elemanlar modelleri LS-DYNA yazılımı kullanılarak geliştirildi ve kompozit malzemeyi modellemek için gerinime bağlı malzeme modeli Mat_162 kullanıldı. Yarı statik yükleme aralığında, nihai kırılma kuvveti açısından nispeten düşük gerinim hızı bağımlılığı gözlendi ve civata torkundaki artışın neredeyse hiçbir etkisi olmadı. Dinamik yükleme hızında, yarı statik testlere kıyasla nihai kırılma kuvvetinde %57'lik bir artış gözlendi. Ayrıca artan gerinim hızı ile deformasyon modunda bir değişiklik tespit edildi. Dinamik yükleme aralığında civata torkundaki artış, deformasyon modunda bir değişikliğe ve nihai kırılma kuvvetinde %5'lik bir artışa sebep oldu.