Solving combined bearing and by-pass loading on a composite/epoxy laminate using the Local Analysis method

In aeronautical structures the use of composite materials, especially Composite/Epoxy laminates, is continuously increasing due to the many advantages they offer. When it is not possible to make monolithic components, composite structures must be assembled. This can be done through adhesive bonding or bolted joints. Due to the nature of composite materials (brittle failure), when bolted joints are used, the hole is not plasticized; therefore, part of the load is transferred by "bearing" and another part by by-pass (the percentages of these two types of stress depend on the characteristics of the joint). For this reason, it is essential to study their interaction. Currently, the most commonly used method to perform the analysis is the "Remote Strain" one (Hart-Smith). This involves the use of interaction curves obtained experimentally and does not explicitly describe the hole in the panel. Aim of this thesis work, carried out at Leonardo S.p.a. aircraft division in Venegono Superiore (VA) and Foggia, is to study an alternative method called "Local Analysis". This model is based on the definition of a specific distance from the hole, called "characteristic distance", where the laminate’s Margin of Safety is evaluated. A precise description of the actual stress distribution, which takes into account the presence of the hole and the fastener, allows the computation of the strains and, consequently, of the Margin of Safety. After the development of this method, a computational code to perform the Bearing By-Pass analysis has been implemented. The method has been validated with finite element simulations and experimental tests. Finally, obtained results have been compared with what computed by the currently used method to highlight the differences between the two analysis models.

Nelle strutture aeronautiche è in costante aumento l’impiego di materiali compositi, in particolare di laminati in composito con resina epossidica, dati i molti vantaggi che questi offrono. Quando non è possibile realizzare componenti monolitici, le strutture in composito devono essere assemblate. Questo può avvenire tramite giunti incollati o imbullonati. Per la natura stessa dei materiali compositi (rottura di tipo fragile), nel caso di giunto imbullonato non avviene la plasticizzazione del foro; questo fa sì che una parte del carico venga trasferita per “bearing” e un’altra parte per by-pass (le percentuali dei due tipi di sollecitazione dipendono dalla tipologia di giunto). Per tale ragione è quindi indispensabile studiarne l’interazione. Attualmente il metodo comunemente adottato per l’analisi è quello del “Remote Strain” (Hart-Smith). Questo consiste nell’utilizzo di curve di interazione ottenute sperimentalmente e non descrive esplicitamente il foro nel pannello. Il presente lavoro di tesi, svolto presso Leonardo S.p.a. divisione velivoli nella sede di Venegono Superiore (VA) e Foggia, si pone come obiettivo quello di studiare un metodo alternativo che prende il nome di “Local Analysis”. Questo modello consiste nel considerare la presenza del foro e del bullone, calcolando la distribuzione di stress che ne deriva. Viene poi identificata una specifica distanza dal foro, detta “distanza caratteristica”, in corrispondenza della quale si valuta il Margine di Sicurezza del laminato. Lo sviluppo di questo metodo ha poi portato all’implementazione di un codice di calcolo per effettuare l’analisi di Bearing By-Pass. Il metodo sviluppato è stato validato per mezzo di simulazioni agli elementi finiti e prove sperimentali. Infine, i risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli dati dal metodo attualmente in uso per evidenziare le differenze tra i due modelli di analisi.