Mechanically Fastened Joint Outline

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Mechanically Fastened Joint Outline Joint Overview Overview of Metal Joint for Comparison Single Fastener Joint Joint with Single Strip of Fasteners Multiple Row of Fasteners Fastener Loading Questions and Discussion RBB Mechanically Fastened Composite Joints 3

Transcript of Mechanically Fastened Joint Outline

Mechanically Fastened Joint Outline

• Joint Overview• Overview of Metal Joint for Comparison• Single Fastener Joint• Joint with Single Strip of Fasteners• Multiple Row of Fasteners• Fastener Loading• Questions and Discussion

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 3

Types of Joining Methods

• Mechanically Fastened Jointso Cylindrical Rods: bolt, rivet, pin, or stableo Primary load bearingo The load transfer through the fastener is localized

• Adhesively Bonded Jointso Structural Adhesiveso Primary load bearing

• Welded Joints• Friction Joints

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 4

Joining Methods

Joint Type Advantages Disadvantages

Mechanically Fastened

Straightforward DesignInspectableRepairableNo Thickness RestrictionsCan be disassembled

Many PartsStress Concentrations/WeakFatigue, fretting ProneProne to corrosionMust be sealed

Adhesive Bonding

Few Parts, Full Load TransferRepairable, Fatigue ResistantSealing, Stiff ConnectionLight‐Weight, Smooth Contour, corrosion resistantNo Stress Concentrations

Difficult to Inspect, Surface PrepEnvironmental effects, designRequired Skill, Thickness limitedResidual StressesNo DisassemblyShear Loading Only

WeldingPermanent, InspectableLoad Transfer, Continuous

Permanent, Microstructural changeResidual Stresses, Trade Skill

Friction Simple Friction Dependent

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 5

Joint Design Considerations

• Joint GeometryoHole diameter, plate width/fastener spacing, plate thickness

• Clamping AreaoCAUTION: Through the Thickness compliance/weakness

• Ply Fiber Orientation and Ply Stacking Sequence• Hole Stress Concentration• Moisture and Temperature Conditions• Applied Stress

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 6

Simple Joint Analysis:Homogeneous and Isotropic

• No Stress Concentrationso Static Loading: Factor of Safety of 3o Fatigue Loading: Factor of Safety of 4.5

• Multiple Rows of Fastenerso Each row takes equal proportion of the applied load

• Failure Stress Analysiso Individual Failure ModesoGood design promotes preferred failure condition

• Assume Each Fastener in a Row Shares Equal Load

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 7

Typical/Idealized Bolted Joint Configurations

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 8

PP

P/2

P/2P

P/2 P/2

P

Tension Shear Complex

Nomenclature for Basic Shear Joint Geometryd – Hole Diameter

w‐ Plate Width

p‐ Fastener Spacing

e‐ Edge Distance

t0 and t1 – Plate Thickness

P‐ LoadFastener

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 9

Basic Shear Joint Geometry

d

e

W or pt1t0

PP

t1t0

P

P

P

P/2

P/2

P

P

PP

P

P/2

P/2

P

P/2

P/2

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 10

P/2

P/2

P

Single Lap Configuration Double Lap Configuration

Net Tension Failure

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 11

,nt

all all tensionP k t w d

Bearing Failure

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 12

,br

all all bearingP k t d

Shear Out Failure

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 13

2soall allP t e

Combined Net Tension and Shear Out Failure

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 14

/ 1, 2

nt soall all tension allP k t w d t e

Cleavage Failure

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 15

, 2cl

all all tensiondP t e

Fastener Failures

Fastener Shear Failure

Fastener Pull Through Failure

Fastener Bending Failure

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 16

fsall allP A n

Composite Joint Analysis Neither Perfectly Elastic or Plastic

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 17

• Single Bolt Joint• Composite Response Between

o Window Glasso Ductile Metal

• ONLY Fiber Glass comes close to idealo massive delamination 

prior to failure• Failure in composite

o Gross section Failureo Not net section failure

Form of Curveif analysis based on Simple Bearing Stress and Net‐Section Stress Allowables

Inhomogeneity of Composite Failure Dominates Behavior

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 18

Composite Failure Modes• Tension

o Fiber/matrix bond broken locally

o Delaminationo Splitting of resin between 

fiberso No Fiber Damageo Relieves Stress Concentration

• Compressiono All tensile modeso Micro‐buckling

Comparison of Metal and Composite Bolted Joints

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 19

Simple Comparison between the weights of equivalent metal and composite structures• Superiority of composites over metals typically 

based on unnotched specimens• Sometimes deduced from monolayer properties

For a Common load per unit width, P

anda a c c c ac a

P PP t t t t

The weight ratio is given by c c c c a c a

a a a a c a c c

w tw t E

Implications to Structural Design

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 20

c c c c a c a

a a a a c a c c

w tw t E

Composite Structures are preferred• Aluminum stress a is Low• Strain in composite c is kept High

Aluminum Structures are preferred• Aluminum stress a is High

Illustrations of Trade‐Offs on a Lay‐Up Suitable for Wing Skins

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 21

50 ksi

Illustrations of Trade‐Offs on a Quasi‐Isotropic Lay‐Up

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 22

Recommended Fiber Patterns for Bolted or Riveted Joints

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 23

Pattern Recommendations• Quasi‐Isotropic Pattern

o 0° 25%o 90° 25%o 45° 50%

• Dispersed Plies• Range

o No more than 3/8 of the fibers in any one of the identified directions

o No less than 1/8 of the fibers in any one of the identified directions

Percen

tage 0Plies

Percentage ±45 Plies

Fiber Patterns to be AvoidedParticularly for Structures withHigh Fastener Loads

Expanded Design RegimeFor Lightly LoadedStructures

Recommended FiberPatterns for HighlyLoaded Structures

Quasi‐IsotropicFiber Pattern

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Elastic‐Isotropic Stress Concentrations for Single Holes

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 24

A Wealth of Data Exists• Single Fastener• Single Lap/Shear• Double Lap/Shear

An additional variable is clamping torque

Theories Developed to Explain Data• Performance/Design of 

more complex structural joints checked against data

• THIS IS A LOGICAL PLACE TO START THE DEVELOPMENT

Elastic‐Isotropic, Single HoleNet‐Section Tension Stress Concentration

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 25

Stress Concentration Based on • Experimental data• Analytical results

max

1312 1

3 1 for 12 2

1 for 1

te

te

ww dk

wdd

w ee w

ew

Pkt w d

d/w

k te

Elastic‐Isotropic, Single HoleAverage Bearing Stress Concentration

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 26

k be

d/w

Stress Concentration Based on • Experimental data• Analytical results

max

1

2 3 1121 1

3 1 for 12 2

1 for 1

tebe

kk P wt d d

w wd d

w ee w

ew

Elastic‐Isotropic, Single HoleAverage Bearing Stress Concentration

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 27

Stress Concentration• Well behaved for small d/w

k be

d/w

2 3 1121 1bek w w

d d

• d/w01bek

• d/w0, accounting for e3

41bek ed

Elastic‐Isotropic Stress Field Around a Bolt Hole

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 28

• Bearing Stress Peaks 27% higher than average

• Peak Hoop Tensile Stresso Equal to average Bearing Stress

• Distance to Edge Not Accounted for

• Potential Failure Siteso Bearingo Back Side of Fastenero Tension on Side of Hole

• With Shorter Edge Distanceo Cleavage Failure Possible

For Nominal Net Fit Fastener

Impact of Stress Concentration on Strip Strength

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 29

Solving kte and kbe(kte ) for Joint Strength P

max

max32 12

1 1

32 1max 2

1 1

1

net avgte

d d dw w w

d d dw w w

P w d t w d tk

t w

Pt w

Max Load at d/w=0.4, bolt pitch p=2.5inmax max0.21P w t

0.21

(Advanced Composites are NOT this brittle)

Elastic‐Isotropic Material

Net‐Section Strength of a Strip Containing UNLOADED Hole

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 30

kte for UNLOADED Hole3

2 1tedkw

Net Section Strength of Hole 3

max

1 1

2 1

d dw w

dte w

Pt w k

Differences Between Isolated Hole and Wide Seam of Holes

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 31

Differences Small for d/w0

Differences Substantial as d/w1

Isolated versus Seam of Hole Comparison, Unloaded Hole

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 32

Suggested Form of Seam kte2.413 2

1 1 1ted dkp p

kte for UNLOADED Hole3

2 1tedkw

Difference Between the TwoSignificant, (d/w≤0.5)

Isolated versus Seam of Hole Comparison, Loaded Hole

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 33

Suggested Form of Seam kte

2.412 1312 1

te

pdp dk

pd pd

kte for LOADED Single Hole

1312 1

te

ww dk

wdd

max

1te

bekk P w

t d d

Impact of Stress Concentrations on Strip Strength, Updated

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 34

max

max32 12

1 1

32 1max 2

1 1

1

net avgte

d d dw w w

d d dw w w

P w d t w d tk

t w

Pt w

2.5wd 2w

d

Optimum Bolt Spacing Changed

Open Hole Composite Laminate Stress Concentration Factor

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 35

Characteristics of Composite Laminates• No local yielding • High Interlaminar stresses induced at hole boundaries• Above conditions result in greater and varying stress 

concentration effect

Ultimate Stress in a Composite Structure

Composite Stress Concentration

tc appult

tc

k Pw d t

k

Open Hole Stress Concentration for Orthotropic Laminate

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 36

1 121

2 12

1

2

12

21

1 2

longitudinal Young's Modulustransverse Young's Moduluslin-plane shear modulusmajor in-plane Poisson's Ratio

tcE EkE G

EEG

Net Tension Stress Concentration Factor DependentOn Ply Angles

Composite Laminate ktc Vary with Ply Geometry

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 37

• ktc=7.5 for 100% 0° plies

• ktc=1.8  for 100% 45° plies

• ktc=3 for 50% 45 ° pliesIsotropic Value

Stress Concentrations in  Composite Materials Bolted Joint

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 38

• Composite Laminateso Do not behave as 

brittle as Fiber and Matrix would suggest

o Bolted joints are stronger

o Joint structural efficiency a result of stress concentration relief

Proposed Relationship Between kte and ktc, Loaded Holes

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 39

Experimentally Determined Relationship 1 1tc tek C k

Assumptions• Joint geometry will cause NET‐TENSION failure• Fiber pattern will cause NET‐TENSION failureExperimental Measurement of ktc

/tc tuk F t w d P

Composite Joint Efficiency versus d/w, Single Hole in Narrow Strip

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 40

H

I

J

K

1

tu tc

dP w

F t w k

Fully‐PlasticBehavior

Perfectly ElasticBehavior

Elastic‐Isotropic Material

e/w1

Curves CA        1.0B 0.8C        0.6D       0.4E        0.2F        0.1G          0

H       Fbr=FtuI        Fbr=2 FtuJ        Fbr=3 FtuK       Fbr=4 Ftu

Composite Joint Efficiency versus d/w, Single Hole in Narrow Strip

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 41

H

I

J

K Fully‐PlasticBehavior

Perfectly ElasticBehavior

e/w1

Curves CA        1.0B 0.8C        0.6D       0.4E        0.2F        0.1G          0

H       Fbr=FtuI        Fbr=2 FtuJ        Fbr=3 FtuK       Fbr=4 Ftu

Eventually Bolt Spacing Becomes Large,• No‐longer Net Tension• Bearing Failure Dominate

To use this figure all that is needed is the Experimental Determination of• Laminate Strength, Ftu• Bearing Strength, Fbr• Correlation Factor, C

Proposed Relationship Between kte and ktc, Un‐Loaded Holes

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 42

Elastic‐Isotropic Composite

1 1tc tek C k

Experimental Program Conducted to find C

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 43

Percen

tage 0Plies

Percentage ±45 Plies

Fiber Patterns to be AvoidedParticularly for Structures withHigh Fastener Loads

Expanded Design RegimeFor Lightly LoadedStructures

Recommended FiberPatterns for HighlyLoaded Structures

Quasi‐IsotropicFiber Pattern

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100All Tests Conducted within Recommended Region

Quasi‐Isotropic Gr/Ep:Thornel 300/Narmco 5280

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 44

Net TensionFailure

BearingFailure

C=0.25

Orthotropic Gr/Ep:Thornel 300/Narmco 5280

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 45

Net TensionFailure

BearingFailure

Net TensionFailure

BearingFailure

C=0.4

Quasi‐Isotropic Gr/Ep:Morganite II/Narmco 1004

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 46

C=0.25

Orthotropic Gr/Ep:Morganite II/Narmco 1004

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 47

C=0.46

C as a Function of 0° Plies

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 48

1 1tc tek C k

Quasi‐Isotropic Values of C versus Fastener Diameter

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 49

1 1tc tek C k

1

non-dimensional diameter1

dC eddin

Stress Concentration Around a Hole Complex

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 50

• Peak stresses actually occur at 45° to the holeo ktc=2 for common laminate configurations

• Individual ply stresses will vary with orientation

• Complex Three Dimensional state of stress

• Interlaminar stresses result in delaminationo tends to reduce ktc through local softening

• Compressive Loading Even More Complex

Shear‐Out Failures

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 51

In Metal Structures

• % of 45 plies significantly large • optimal 50% 45 plies 

2app

ult

Pe t

Relationship Holds in Composites as long as

Variations in ply percentages will cause changes inShear Out strength

Failure Mode Results for Short Edge Distance, e/d=2

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 52

Failure Mode Results for Large Edge Distances, e/d>8

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 53

Multiple Rows of Fasteners requires Non‐Linear FEA

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 54

First Estimate of Joint Strength for Multiple Rows of Fasteners

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 55

• Divide Panel into Strips of Equal Widtho Strip Width = Fastener Pitch po Strip Load Po m =number of Strips/Fastenerso Total Load Pt

• Each Fastener in the Strip will take a Portion of the load P

Total Number of FastenersT

fastenerPP

TPPm

Assuming Linear Interaction between Bearing & By‐Pass Loads

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 56

Linear Interaction Initially Assumed

max b b t t tuk k

b       = fastener bearing stresst       = net tension stress caused by 

load not reacted by the fastenerkt,kb = constants of proportionalitytu = ultimate gross (far field) strength

Interaction between Bearing and Bypass In Multi‐Row Joints 

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 57

max b b t t tuk k

Alleviation Factors and Stress Concentrations Factors

max

3

1 1 1 11

2 3 1121 1 1

1 1

2 1

b be

tebe

t te

te

wk C k dwd

kk

P w w wt d d d d

k C k

dkw

Experimental Conformation of Linear Relationship

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 58

max b b t t tuk k

Interaction between Bearing and Bypass In Multi‐Row Joints 

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 59

max b b t t tuk k

Even if w/d too large to exhibit tensile failure under pure bearing load it will still do so for bypass load

tub

b

Fk

tut

t

Fk

b tu t t brF k F Most Efficient Joint: One bolt subject to a pure Bearing load (no Bypass) with minimum Bearing Load

Maximum Joint Strength: Proportioning the joint to cause tension (rather than bearing) failures at all bolt holes

Interactions for Compressive Loading Has Different Form``

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 60

br b cF

C  = Gross‐Section Compressive Stress

Fbr = Bearing Strengthb  = Bearing Load

Ultimate Compressive Load, FcuTight Fitting BoltLoose Fitting Bolt

Multi‐Rows of Fasteners Show Small Improvement Over Single Row

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 61

Impact of 0 Plies on Stress

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 62

12.5% 0 Plies

25% 0 Plies

37.5% 0 Plies

50% 0 Plies

Multi‐Row Improvements Only Until Bearing/Tension Transition

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 63

Comparison Between Narrow Strip and Wide Panel

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 64

Joint Configurations Have Effect on Bolt Loading

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 65

Preliminary Estimation Fastener Load Sharing, Basic Parameters

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 66

Plate Stiffness

pA EK

L

Fastener Bending Stiffness

2 2

0

1

Fastener Effective Compliance

8=

22

Fastener Modulus of Elasticity

d Fastener Diameter

f

av av

av f

iav

f

KC

C

t tA B H

t E d d

t tt

E

Parameter Summary

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 67

Case InnerPlate

OuterPlate Fastener A B H

1 St St St 0.13 2.12 1.0

2 Al Al Al 0.13 2.12 1.0

3 Al Al St 0.13 2.12 1.87

4 Al St St 0.13 2.12 1.43

5 Al St Al 0.13 2.12 0.84

6 Al Al Ti 0.133 2.06 1.242

7 Al Ti Ti 0.1325 2.06 1.1125

8 CFRP (QI) Ti Ti 0.1325 2.06 1.1125

9 GFRP (QI) Al Al 0.13 2.12 1.0

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 68

Number of Rows

Inner‐to‐OuterPlate Stiffness Ratio

Fastener Row Load Shear ExpressionRLF‐Relative Load Fraction

3 Kinner=Kouter RFLR1=RFLR3=‐0.0167(Kt/Kp)2+0.0803(Kt/Kp)+0.3362

RFLR2=0.0333(Kt/Kp)2+0.1607(Kt/Kp)+0.3275

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 69

Number of Rows

Inner‐to‐OuterPlate Stiffness Ratio

Fastener Row Load Shear ExpressionRLF‐Relative Load Fraction

4 Kinner=Kouter RFLR1=RFLR4=‐0.0556(Kt/Kp)2+0.1678(Kt/Kp)+0.258

RFLR2=RFLR3=0.0556(Kt/Kp)2‐0.1678(Kt/Kp)+0.2471

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 70

Number of Rows

Inner‐to‐OuterPlate Stiffness Ratio

Fastener Row Load Shear ExpressionRLF‐Relative Load Fraction

5 Kinner=Kouter RFLR1=RFLR5=‐0.1389(Kt/Kp)2+0.2994(Kt/Kp)+0.202

RFLR2=RFLR4=0.0694(Kt/Kp)2‐0.1581(Kt/Kp)+0.1994

RFLR3=0.1389(Kt/Kp)2‐0.2828(Kt/Kp)+0.1954

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 71

Number of Rows

Inner‐to‐OuterPlate Stiffness Ratio

Fastener Row Load Shear ExpressionRLF‐Relative Load Fraction

3 Kinner=1.5 Kouter RFLR1=‐0.0278(Kt/Kp)2+0.0194(Kt/Kp)+0.3128

RFLR2=0.0138(Kt/Kp)2‐0.1064(Kt/Kp)+0.3205

RFLR3=0.0139(Kt/Kp)2‐0.0869(Kt/Kp)+0.3776

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 72

Number of Rows

Inner‐to‐OuterPlate Stiffness Ratio

Fastener Row Load Shear ExpressionRLF‐Relative Load Fraction

5 Kinner=1.5 Kouter RFLR1=‐0.125(Kt/Kp)2+0.2692(Kt/Kp)+0.1551

RFLR2=0.0417(Kt/Kp)2‐0.1142(Kt/Kp)+0.1618

RFLR3=0.1167(Kt/Kp)2‐0.2677(Kt/Kp)+0.2008

RFLR4=0.0972(Kt/Kp)2‐0.1953(Kt/Kp)+0.2383

RFLR5=0.1306(Kt/Kp)2‐0.3079(Kt/Kp)+0.2441

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 73

Number of Rows

Inner‐to‐OuterPlate Stiffness Ratio

Fastener Row Load Shear ExpressionRLF‐Relative Load Fraction

2 Kinner=Kouter RFLR1=0.0333(Kt/Kp)+0.5267

Kinner=2/3 Kouter RFLR2=‐0.0333(Kt/Kp)+0.4733

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 74

Number of Rows

Inner‐to‐OuterPlate Stiffness Ratio

Fastener Row Load Shear ExpressionRLF‐Relative Load Fraction

3 Kinner=Kouter RFLR1=‐0.0148(Kt/Kp)2+0.0852(Kt/Kp)+0.3430

Kinner=4/5 Kouter RFLR2=0.0116(Kt/Kp)2‐0.0638(Kt/Kp)+0.3471

Kinner=2/5 Kouter RFLR3=0.0032(Kt/Kp)2‐0.0213(Kt/Kp)+0.3039

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 75

Number of Rows

Inner‐to‐OuterPlate Stiffness Ratio

Fastener Row Load Shear ExpressionRLF‐Relative Load Fraction

5 4.5 Kinner=Kouter RFLR1=RFLR2=RFLR3=RFLR4=RFLR5=0.2

4 Kinner=Kouter

1.5 Kinner=Kouter

2/3 Kinner=Kouter

2/9Kinner=Kouter

Bolt Stager Patter Parameters

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 76

Fastener Diameter 

(in)

lspSingle Row Spacing

sspFastener Stager Spacing

pspStager Distance e

5/32 1.0 0.39 0.63 0.34

3/16 1.18 0.47 0.75 0.41

1/4 1.56 0.63 1.0 0.53

5/16 1.8 0.78 1.19 0.66

3/8 2.35 0.94 1.5 0.78

2 2

2 2

2

2

sp sp sp

sp sp sp

l p s

l p sD D D

Stager Distance for a Single Row of Fasteners

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 77

Two Rows of Staggered Fasteners

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 78

Net Tension

2

Bearing

2

Shear Out

2 2

NTsp sp

BR

SOsp

P Pt p D t l D

Ft D

Fe s

Three Rows of Staggered Fasteners

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 79

Net Tension

2

Bearing

3

Shear Out

2 2 3

NTsp

BR

SOsp

Pt p D

Ft D

Fe s

Questions and Discussion

RBB Mechanically Fastened Composite Joints 80