A Progressive Damage Model for Predicting Tensile Performance of Composite Single-Bolt Double-Shear Joints with Prefabricated Hole-Edge Delamination: Unveiling Size-Dependent Delamination Behavior

Moderne vliegtuigen worden steeds vaker gebouwd van lagen koolstofvezel en hars, een materiaal dat bekend staat als ongelooflijk sterk maar ook opmerkelijk licht. Dit composietmateriaal stelt vliegtuigen zoals de Boeing 787 en de Airbus A350 in staat om verder te vliegen en minder brandstof te verbruiken dan hun oudere metalen tegenhangers. Deze lichtgewicht structuren moeten echter nog steeds bij elkaar worden gehouden, en de meest betrouwbare manier om dit te doen is met bouten. Wanneer ingenieurs een gat boren om een bout in te brengen, kan het proces er soms toe leiden dat de lagen van het materiaal enigszins van elkaar scheiden, een defect dat delaminatie wordt genoemd. Deze scheiding vindt vaak plaats precies aan de rand van het gat waar de bout zit. Hoewel een kleine scheiding onschadelijk lijkt, kan het fungeren als een verborgen zwak punt dat groter wordt onder de spanning van de vlucht, wat potentieel kan leiden tot een catastrofale breuk. Het begrijpen van hoe deze verborgen gebreken de sterkte van een verbinding precies beïnvloeden, is cruciaal voor het ontwerpen van veiligere, efficiëntere vliegtuigen.

Onderzoekers van de Nanjing University of Aeronautics and Astronautics en het AVIC Chengdu Aircraft Design and Research Institute zetten zich in om dit puzzelstuk op te lossen door een specifiek type verbinding te bestuderen: een enkele bout die twee overlappende stukken composietmateriaal bij elkaar houdt, een opstelling die bekend staat als een single-bolt double-shear joint. Ze wilden zien hoe de grootte van een vooraf aangebrachte scheiding aan de rand van het gat de draagkracht van de verbinding zou veranderen. Hiervoor maakten ze een reeks testexemplaren met behulp van een hoogwaardig koolstofvezelcomposiet. Sommige van deze exemplaren waren perfect, zonder defecten, terwijl andere een cirkelvormige scheiding hadden waarbij een specifieke laag tussen de materialen was geïntroduceerd, met diameters van 12, 20 en 28 millimeter. Vervolgens trokken ze deze verbindingen uit elkaar in een gecontroleerde test om te zien hoeveel kracht ze konden weerstaan voordat ze braken.

Het team stopte niet bij fysieke tests; ze bouwden ook een gedetailleerde digitale tweeling van het experiment. Met behulp van geavanceerde computermodellering simuleerden ze de complexe manier waarop het materiaal laag voor laag breekt en hoe de scheiding zich verspreidt. Dit digitale model stelde hen in staat om de onzichtbare scheuren en stresspunten te volgen die moeilijk te zien zijn tijdens een fysieke test. De computervoorspellingen kwamen met opmerkelijke nauwkeurigheid overeen met de fysieke testresultaten, met een verschil van minder dan tien procent. Dit succes gaf de onderzoekers een krachtig instrument om scenario's te verkennen die ze niet gemakkelijk in een laboratorium konden testen, zoals het veranderen van de vorm van het defect of het verplaatsen van de locatie ervan binnen het materiaal.

De fysieke tests toonden een duidelijke en verwachte trend: hoe groter de vooraf aangebrachte scheiding, hoe zwakker de verbinding werd. De perfecte exemplaren hielden een gemiddelde kracht van 16,44 kilonewton vast. Wanneer de diameter van de scheiding groeide naar 28 millimeter, daalde de gemiddelde sterkte naar 15,51 kilonewton, een afname van 5,7 procent. Hoewel dit percentage klein lijkt, telt in de wereld van de luchtvaarttechniek elke beetje sterkte mee. De onderzoekers observeerden dat de breuk geen plotselinge klap was, maar een geleidelijk proces. Naarmate de belasting toenam, begon het materiaal rond het boutgat te verbrijzelen en de vezels te knikken, terwijl de scheiding tussen de lagen groter werd. Het digitale model liet zien dat deze schade begon aan de zijde van het gat waar de bout tegen het materiaal duwde en zich in een halve cirkel naar buiten toe verspreidde.

Misschien wel de meest verrassende ontdekking was hoe de grootte van het defect het gedrag ervan veranderde. Wanneer de vooraf aangebrachte scheiding klein was, bleef de schade niet beperkt; het verspreidde zich ver buiten het oorspronkelijke defect, razend naar buiten door het omliggende materiaal. Echter, wanneer de scheiding groot was, bleef de schade grotendeels binnen de grenzen van de vooraf aangebrachte scheiding, met zeer weinig extra verspreiding. Dit suggereert een kritieke drempel: kleine defecten zijn gevaarlijk omdat ze een kettingreactie triggeren die het gezonde omliggende materiaal vernietigt, terwijl grote defecten gevaarlijk zijn simpelweg omdat ze groot zijn, wat de capaciteit van het materiaal om de last te delen beperkt maar niet noodzakelijkerwijs een massale ongecontroleerde breuk triggert.

De onderzoekers gebruikten hun computermodel ook om te testen hoe andere factoren de sterkte van de verbinding beïnvloedden. Ze ontdekten dat de locatie van de scheiding aanzienlijk uitmaakte. Een defect dat zich nabij het midden van de materiaaldikte bevond, was schadelijker dan een defect nabij het oppervlak, omdat de lagen in het midden minder worden beperkt door de druk van de bout en daardoor gemakkelijker kunnen uiteenlopen. De vorm van het defect speelde ook een rol; een vierkantvormige scheiding veroorzaakte meer schade dan een cirkelvormige of elliptische, waarschijnlijk omdat de scherpe hoeken meer intense spanningsconcentraties creëerden. Op dezelfde manier deed de oriëntatie van een elliptisch defect er toe, waarbij een specifieke uitlijning zorgde voor het grootste verlies aan sterkte.

Ten slotte onderzocht de studie of het assemblageproces zelf de verbinding kon helpen of schaden. Ze ontdekten dat het steviger aandraaien van de bout, ook wel het verhogen van de voorspanning genoemd, de verbinding juist sterker maakte door de lagen naar elkaar toe te drukken en de scheiding in toom te houden. Daarentegen, als de bout iets kleiner was dan het gat, waardoor er een speling ontstond, werd de verbinding aanzienlijk zwakker. De dikte van de metalen onderdelen die de verbinding vasthouden, veranderde de maximale sterkte niet veel, maar het beïnvloedde wel hoe stijf de verbinding aanvoelde onder een lichte belasting. Deze bevindingen bieden een duidelijk stappenplan voor ingenieurs, waarbij wordt aangetoond dat hoewel vooraf aangebrachte gebreken onvermijdelijk zijn, hun impact beheerst kan worden door zorgvuldig ontwerp, juiste assemblage en een begrip van hoe het materiaal zich gedraagt wanneer het beschadigd is.