Kompositlaminat - lång

Kort version

1 Inledning

Kompositers egenskaper skiljer sig markant från metallers. Kompositer är definitionsmässigt material bestående av två eller fler markant olika material. Här behandlas laminat av fiberförstärkta polymerer (plaster). Fibrerna är ofta av typ glasfiber eller för lättviktsmaterial kolfiber. Matrisen kan vara t ex. aramid, polyester eller epoxi.

State-of-the-art för att foga kompositlaminat finns inom flygindustrin. Strukturella flygplanskomponenter är ofta relativt tjocka och avsedda att tåla höga laster. Mekanisk fogning är då lämplig och skruvförband väljs ofta, speciellt när det finns krav på demontering, inspektion och underhåll av strukturen. Figur 1 visar några exempel på skruvförband som används inom flygindustrin.

Figur 1. Exempel på skruvförband inom flygindustrin.

Skruvförband används också mycket för att foga olika material, t ex. titan- eller aluminiumkomponenter mot komposit.

Det stora problemet med skruvförband för kompositer är den höga koncentrationen av spänningar runt skruvhålet. Att tillverka hålet kräver också speciell borrningsteknik, vilket gör det svårt att borra hål genom metall- och kompositdelar i ett moment.

Med fästelement av aluminium eller rostfritt finns det också risk för galvanisk korrosion i kolfiberkompositer.

Det ska påpekas att fogen är den vekaste delen av en skruvmonterad kompositstruktur. Detta skiljer sig åt från en limfog där fogen är avsedd att vara starkare än de fogade delarna.

Den vanligaste skruvförbandstypen är enskärsförband (Figur 7). Strukturell prestanda är inte den bästa på grund av den excentriska belastningen men förbandet är billigt och relativt enkelt att tillverka.

2 Brottmekanismer

Haveri i ett skruvförband i kompositmaterial kan innebära fullständig nedbrytning av den strukturella komponenten eller en oacceptabel förlust av styvhet. Man särskiljer på fyra haverimoder, se Figur . Dessa är: laminatbrott (net-section failure); tryckbrott (bearing failure); skjuvbrott (shear-out failure); skruvbrott.

Figur 2. Brottmoder för skruvade kompositer.

Figur 3. Geometri för skruvhål.

Laminatbrott orsakas av tangentiella spänningar eller tryckspänningar vid hålkanten. Detta inträffar när förhållandet D/w är högt eller när förhållandet mellan den pålagda lasten och klämkraften är högt.

Tryckbrott, som är den önskvärda brottmoden, inträffar på grund av höga tryckspänningar vid skruvhålet. Tryckbrott gynnas av ett lågt förhållande D/w och av ett högt förhållande mellan klämkraft och pålagd last.

Skjuvbrott orsakas av skjuvspänningar som verkar på skruvhålets yta i lastriktningen. Denna brottmod förkommer främst när kantavståndet, e, är kort i förhållande till håldiametern. Skjuvbrott är vanliga för starkt ortotropiska laminat och är då oberoende av kantavståndet.

Skruvbrott orsakas av höga skjuvspänningar på skruvstammen. Haveri styrs av hur skruven tål skjuvlaster och det bestäms av laminat- och skruvgeometri.

Eftersom tryckbrott vanligen utvecklas långsamt med gott om tid för varning och upptäckt innan haveri är det den önskade brottmoden för skruvade kompositlaminat. De övriga brottmoderna inträffar ofta plötsligt.

Om skruvförbandet belastas med dragspänningar måste genomdragsstyrkan för laminatet medräknas i designen av förbandet.

Den högsta last som kan överföras av skruvförbandet styrs av den maximala tryckspänningen för laminatet enligt:

Ph = maximal tryckspänning för laminatet
F = brottlast för laminatet
dh = håldiameter
t = laminattjocklek

3 Design parametrar

Det är många faktorer som påverkar prestanda för skruvförband i kompositmaterial:

1. Material: fibertyp och -form; fiberorientering; staplingssekvens och volymandel fibrer.
2. Design: förbandstyp; laminattjocklek; geometri (bredd, håldiameter, kantavstånd, etc.), lastriktning och typ av last.
3. Fästelement: Typ av skruv; dimension; material; fastener pattern?; klämkraft; storlek på skruvskalle/mutter/brickor; passning skruv/hål.

Geometriska effekter som skruvhålets diameter (D), laminattjocklek (t), bredd (w) och kantavstånd (e) har alla visat sig starkt påverka styrkan i skruvförband i kompositlaminat.

Vid låga värden på e/D så brister laminatet genom att material bakom skruvhålet skjuvas ut. Vid större kantavstånd övergår brottmekanismen till bearing mode och trycklaster leder till förlängning av skruvhålet.

För låga värden på w/D brister laminatet genom net-section tvärs lastriktningen. När w/D ökar övergår brottmoden till bearing. Vid högre värden på w/D förblir styrkan på laminatet konstant.

Undersökningar har visat att det finns en konstant gräns för styrkan hos skruvförband hos laminat som kan nås om de geometriska parametrarna optimeras. Riktlinjer för att uppnå bearing failure för CFRP visas i Figur .

Figur 4. Värden på w/D och e/D som krävs för att säkerställa att brottmoden blir bearing.

Orientering av fiberdukar och därmed fiberriktning ger möjlighet att designa laminat för de pålagda lasterna. Alla brottmoder anses vara beroende av laminatets stapling. Dukar i riktning 0 och 90 är viktiga för bearing styrka. Dukar i ± 45 anses fördela lasten för skruvförband. Det är viktigt att dukarna fördelas i laminatet och inte samma riktning staplas. Det går att fördela höga spänningar genom att införa mjukare remsor eller genom att öka den lokala tjockleken, se Figur 5.

Figur 5. Fördelning av spänningar genom lokal ökning av tjockleken.

Ökning av klämkraften ökar förbandets styrka.

Figur 6. Effekt av åtdragningsmoment på förbandets styrka.

Frigången för skruven i skruvhålet påverkar skruvförbandet markant. Ökad frigång innebär minskad kontaktyta för skruven och därmed ökad spänning i laminatet. Precis passning mellan skruv och skruvhål försäkrar att lasten överförs direkt medan lastöverföringen fördröjs till kontakt har uppnåtts för skruvhål med frigång.

För enskärsförband finns det stor risk för sekundär böjning genom att lasten påläggs excentriskt, se Figur 7.

Figur 7. Böjning av enskärsförband.

Böjningen orsakar en förflyttning av skruv och laminat, vilket kan ge en ojämn spänningsfördelning genom laminatet. För lätt belastade fogar används vanligen enkelradsförband medan hårt belastade fogar tillverkas genom multiradsförband. Avståndet mellan skruvarna är viktigt och spänningen kan fördelas jämnare genom att laminatet taperas, se Figur 8.

Figur 8. Avsmalnande multiradsförband för fördelning av lasten.

Kompositmaterial har dålig styrka vinkelrät mot laminatet. Dragbelastning av skruvförband kan därför orsaka att skruven dras genom laminatet eller att omfattande sprickbildning och delaminering minskar styvheten runt skruvhålet kraftigt. Den kritiska töjningen beror huvudsakligen på matrismaterialet.

4 Tumregler

• Designa förbandet först och fyll i luckor efteråt. Att optimera basstrukturen först ger ofta en låg strukturell effektivitet.
• De bästa skruvförbanden kan precis nå upp till halva styrkan av det opåverkade materialet (utan borrhål).
• Optimerade enskärsförband har ungefär 75 % av styrkan för ett optimerat dubbelt tvåskärsförband.
• Multiskärsförband designade för dragbrott i materialet är starkare än de designade för brott i hålplanet.
• Skruvförband i kompositer har ofta för få skruvar med för liten diameter och placerade för glest för att tillåta maximal styrka för laminatet.
• Skruvarnas skjuvstyrka ska inte vara en designfaktor – skruvstorleken väljs för att begränsa hålplantrycket.
• Maximala tangentiala spänningarna runt skruvhålet är ungefär lika med halva hålplantrycket.
• Sättningen beror starkt på uppbyggnaden av laminatet.
• Böjning av skruv är mycket mer signifikant för kompositer än för metaller, eftersom kompositen är tjockare och mer känslig för ojämnt hålplantryck.
• Skruvdiameter bör vara ungefär lika som laminattjockleken.
• Optimal w/D (w = laminatets bredd, D = skruvdiameter) är ungefär 3:1.
• Optimal w/D för multirads skruvförband varierar längs skruvraden:
  w/D = 5 för första raden för att minimera lastöverföringen,
  w/D = 3 för sista raden för att maximera lastöverföringen,
  w/D = 4 för mellanliggande skruvar.
• Bästa fördelningen av fiberduk i laminatet är jämn fördelning utan stackning med minst 12,5 % av fibrerna i vardera av de fyra riktningarna: 0°, +45°,
  -45° och 90°.　

1. Hart-Smith, LJ, Design of composite structures, Lecture notes, KTH, 1993.
2. Starikov, R, Quasi-static and fatigue behaviour of composite bolted joints, Doctoral thesis, Report 2001-9, KTH, 2001.
3. Collings, TA, The strength of bolted and riveted joints in multidirectional CFRP laminates, Composites, 43-55, 8(1), 1977.
4. Asp, L, Rules of thumb for designing bolted joints for composites, Swerea SICOMP, CR08-047, 2008

Website administered by Jan Skogsmo, RISE IVF AB, Box 104, 431 22 Mölndal.
Tel. 010-228 46 98. E-mail jan.skogsmo@ri.se