Radosław Bielawski

Badanie i modelowanie połączeń nitowych w lotniczych strukturach kompozytowych

Abstract:

Zaprezentowana praca dotyczy badania i modelowania połączeń nitowych w zbrojonym włóknem szklanym kompozycie polimerowym. Całość została podzielona na dwie zasadnicze części. Pierwsza z nich dotyczy wiedzy teoretycznej związanej z jej tematyką, natomiast druga odnosi się do badań eksperymentalnych oraz omówienia ich wyników.

W części teoretycznej dysertacji dokonano przeglądu współczesnej literatury, na podstawie której przedstawiono definicje podstawowych terminów stosowanych w pracy, budując siatkę pojęciowo-znaczeniową. Sklasyfikowano materiały kompozytowe oraz przedstawiono budowę i właściwości poszczególnych ich komponentów. W jej dalszej części opisane zostały metody wytwarzania wyrobów kompozytowych, lecz z uwagi na ich mnogość oraz tematykę dysertacji ograniczono je wyłącznie do metod stosowanych w wytwarzaniu elementów konstrukcji lotniczych. Dalszą część pracy poświęcono degradacjom w kompozytach zbrojonych włóknami ciągłymi, w której opisano wybrane degradacje mechaniczne, takie jak: imperfekcje spoiwa, delaminacje czy zniszczenia włókien. Określono i opisano globalne modele zniszczeń laminatów w połączeniach mechanicznych. Kolejny rozdział dysertacji opisuje metody łączenia lotniczych elementów kompozytowych. Opisano w nim połączenia klejone i nitowane, podając ich typowe modele. W ramach tej części pracy, z uwagi na jej tematykę, uwagę skupiono na wiedzy dotyczącej nitonakrętek. Po części teoretycznej dokonano próby oceny stanu wiedzy w obszarze badań na podstawie dostępnej literatury. W oparciu o nią zaproponowano metodykę prowadzenia eksperymentalnych badań naukowych określając przedmiot, cel i tezę pracy oraz postawiono zadania badawcze.

Druga z zasadniczych, eksperymentalna część dysertacji, poprzedzona została opisem eksperymentalnych i teoretycznych metod zastosowanych w celu rozwiązania problemów badawczych. Opisane w niej zostały autorsko zaprojektowane stanowiska pomiarowe oraz zastosowane algorytmy. Część eksperymentalną podzielono na dwa rodzaje badań. W pierwszym z nich dokonano szeregu eksperymentów określających możliwości stosowania połączeń nitowych w kompozytach konstrukcyjnych. Określono i zidentyfikowano problemy badawcze występujące w tego typu połączeniach. Na te potrzeby z kompozytu GFRP zbudowano szereg próbek oraz układ badawczy, w którym dokonano prób na maszynie wytrzymałościowej. Przeprowadzono analizę: przebiegów sił, sztywności, zniszczeń oraz rozkładów odkształceń pionowych w badanych laminatach. Druga część badań eksperymentalnych dotyczyła nitonakrętkowych połączeń kompozytów. W tym celu wykorzystano wcześniej zbudowane laminaty warstwowe, z których, zgodnie z przyjętymi modelami, zbudowano i połączono próbki. W oparciu o zaprojektowany układ oraz maszynę wytrzymałościową dokonano prób wytrzymałościowych. Na podstawie wyników określono: przebiegi sił, modele oraz formy zniszczeń, a także w wybranych połączeniach rozkłady odkształceń pionowych w oparciu o dwie komplementarne metody badawcze – cyfrową korelację obrazu oraz metodę elementów skończonych. Na tym etapie badań wykorzystano nitonakrętki stalowe oraz ze stopów aluminium, dzięki którym zbudowano modele połączeń, takie jak: pojedyncza i podwójna zakładka, oraz podwójna zakładka z częścią metalową.

Na podstawie wyników badań, uzyskanych w procesie badawczym w dysertacji określono możliwości stosowania połączeń zbudowanych z nitonakrętek w lotniczych strukturach kompozytowych. Całość pracy podsumowano wnioskami oraz przedstawiono perspektywę prowadzenia badań w obszarze materiałów kompozytowych oraz połączeń nitonakrętkowych dotyczących kompozytowych struktur lotniczych.