Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

FEM modeling methods of bolted joint analysis based on steel fitting and duraluminium wing spar flange connection to PZL-106 Kruk aircraft (FEM)

Agnieszka Andrzejczuk

Abstract

The aim of the project was to compare two methods of bolted joint modeling based on steel fitting and duraluminium wing spar connection in PZL-106 Kruk agricultural aircraft by verification and comparison of stress concentrations in spar flange part found from two types of models in FEM (finite element method) analysis. The project was conducted to find a relationship between maximum stress concentrations obtained from two different types of FEM models for analysed bolted joint connection. In order to conduct the analysis two models were prepared: 1st with 2D and 1D elements for bolts modeling, 2nd – with 3D solid elements. The meshes were prepared with Altair HyperMesh software, FEM analysis and post-processing of the results were conducted in MSC Patran/Nastran. In theoretical part the methods of joining a wing spar and fitting joint in the light aircrafts were presented and their principles of carrying load were explained. Afterwards the problems occurring in bolted joints were described: non-uniform load distribution in the row of bolts, depending on their stiffness. Problem of theoretical analysis of forces transferred by each bolt and stress concentration factors around each hole were covered, which is particularly important in fatigue strength analysis of spar flange and steel fitting joint. In computational part finite element method (FEM) was introduced. Modeling assumptions, simplifications and way of conducting analysis were described. Thereafter the model using 2D and 1D elements was presented: meshing, defined material characteristics and defined boundary conditions. Results of analysis were attached: forces acting on each bolt, shear force distribution in the axis of the last bolt (as well as values of shear forces in each bolt put in the table). Calculation technique of stress concentration factor around the holes in spar flange was presented, based on literature and results of 2D model analysis of bolted joint connection. Afterwards stresses distribution results in spar flange were shown with commentary why were they different from 3D analysis results and from stress distribution which might be expected around the holes in a plate subjected to tensile loads (known from literature). The next part was 3D model presentation: meshing, boundary conditions applied, method of applying the tensile force. Nonlinearity of contact analysis which is found in the given model structure were described. Results were attached in a form of stresses in spar flange as well as graphs presenting stress distribution along the height of spar flange and its thickness for the analysed connection. Also stress distribution in bolts and their bending normal forces graphs were shown. Maximum stress concentrations around each hole in spar flange were found. Finally, comparison of the stress concentrations results for analysed bolted joint connection obtained from two different types of FEM models was done. Models preparation and analysis time, numerical cost, size and complexity of two types of models were compared. In summary, advantages and disadvantages of two modeling methods were covered and conclusions were drawn.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Agnieszka Andrzejczuk (FPAE) Agnieszka Andrzejczuk,, Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Title in Polish
Analiza metod modelowania MES połączenia śrubowego na przykładzie połączenia stalowego okucia z duralowym dźwigarem do samolotu PZL-106 KRUK (MES)
Supervisor
Dominik Głowacki (FPAE/IAAM) Dominik Głowacki,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Certifying unit
Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unit
The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)
Study subject / specialization
, Lotnictwo i Kosmonautyka
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
12-02-2016
Issue date (year)
2016
Pages
100
Internal identifier
MEL; PD-3545
Reviewers
Tomasz Zagrajek (FPAE/IAAM) Tomasz Zagrajek,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE) Dominik Głowacki (FPAE/IAAM) Dominik Głowacki,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Keywords in Polish
połączenie śrubowe, połączenie okucia z dźwigarem, współczynnik koncentracji naprężeń, metoda elementów skończonych (MES), modelowanie MES
Keywords in English
bolted joint, wing spar and fuselage fitting joint, stress concentration factor, finite element method (FEM), FEM modeling
Abstract in Polish
Celem pracy było porównanie dwóch metod modelowania połączenia śrubowego stalowego okucia z duralowym dźwigarem na podstawie takiego połączenia zastosowanego w samolocie rolniczym PZL-106 Kruk. Zrealizowano to przez sprawdzenie i analizę znajdowanych na podstawie dwóch typów modeli MES (Metody Elementów Skończonych) wartości maksymalnych koncentracji naprężeń wokół otworów w pasie dźwigara. Praca miała na celu znalezienie zależności między wartościami naprężeń maksymalnych znajdowanymi na podstawie dwóch różnych typów modeli MES. W tym celu wykonano dwa modele: jeden składający się z elementów 2D oraz 1D dla zamodelowania śrub, drugi – składający się z elementów 3D. Siatki MES wykonano w programie Altair HyperMesh, natomiast obliczenia i analizę wyników przeprowadzono w programie MSC Patran/Nastran. W części teoretycznej przedstawiono sposoby połączenia dźwigara z okuciem w lekkich statkach powietrznych oraz wyjaśniono jak przenoszą naprężenia. Następnie opisano problemy pojawiające się w połączeniach śrubowych: nierównomierne przenoszenie obciążeń przez rząd śrub, w zależności od ich sztywności. Przybliżono problem teoretycznego wyznaczania sił przenoszonych przez poszczególne śruby, a co za tym idzie współczynników koncentracji naprężeń wokół otworów pod nie. Ma on szczególnie ważne znaczenie przy wytrzymałości zmęczeniowej pasa w połączeniu stalowego okucia z duralowym dźwigarem. W części obliczeniowej przedstawiono krótko założenia Metody Elementów Skończonych. Opisano zastosowane w modelowaniu uproszczenia i sposób postępowania przy analizie. Kolejno opisano model z elementami 2D i 1D: sposób dyskretyzacji, zadane własności materiałowe i warunki brzegowe. Pokazano wyniki analizy: siły działające na każdą śrubę, rozkład siły tnącej w osi śruby ostatniej (oraz wartości sił tnących w każdej ze śrub zestawione w tabeli). Przedstawiono sposób obliczania współczynnika koncentracji naprężeń wokół otworów w pasie na podstawie literatury oraz wartości otrzymanych z analizy modelu 2D. Kolejno pokazano mapy naprężeń otrzymane w pasie z analizy 2D wraz z komentarzem, dlaczego różnią się one od rozkładów otrzymanych z analizy 3D oraz od rozkładów naprężeń jakich można byłoby się spodziewać wokół otworów w rozciąganej płytce, znanych z literatury. Następnie opisano model MES z elementami 3D: zastosowany sposób dyskretyzacji oraz warunki brzegowe, sposób przyłożenia obciążenia rozciągającego okucie. Przedstawiono nieliniowość zagadnienia kontaktowego, jakie występuje przy takiej analizie rozważanego ustroju. Dołączono wyniki obliczeń: mapy naprężeń w pasie, wykresy naprężeń po wysokości pasa oraz po jego grubości. Pokazano mapy naprężeń w śrubach oraz wykresy pojawiających się w nich sił normalnych od zginania. Dla wszystkich analizowanych wersji odczytano wartości maksymalnych naprężeń wokół każdego otworu. Na końcu dokonano porównania wyników obliczonych koncentracji naprężeń w analizowanej wersji połączenia, wyliczonych na podstawie obu typów modeli MES. Porównano czas pracy, koszt numeryczny, wielkości i stopień skomplikowania modeli. W podsumowaniu ujęto wady i zalety obu sposobów modelowania oraz przedstawiono wnioski.
File
  • File: 1
    Praca_inzynierska_A_Andrzejczuk.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 9356

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUT584ea9bfcb684ebcad55195d1c2aa03f/
URN
urn:pw-repo:WUT584ea9bfcb684ebcad55195d1c2aa03f

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page