Análise do coeficiente de torque e do pré-carregamento resultante em juntas aparafusadas de compósito polimérico reforçado com fibra de carbono
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Data
2022-03-04
Autores
Marques, Bruno Mikio Fujiwara
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Para juntas aparafusadas de alta responsabilidade, a aplicação de uma força inicial de tração no parafuso, denominada pré-carregamento, é essencial devido à compressão aplicada às partes unidas, aumentando o atrito entre elas e melhorando a resistência mecânica da junta tanto submetida à carga externa de tração quanto à de cisalhamento. Além disso, sabe-se que o torque necessário para produzir um determinado pré-carregamento é função da geometria da rosca e dos coeficientes de atrito dos materiais envolvidos. Essas variáveis combinadas na equação de obtenção do torque denominam-se coeficiente de torque e o seu valor influencia diretamente o pré-carregamento. No entanto, para juntas de materiais compósitos, os valores do coeficiente de torque são considerados em poucos estudos e de maneira aproximada e superficial, sendo comum utilizar os resultados obtidos para juntas de materiais metálicos como referência, acarretando em componentes de materiais compósitos com baixa eficiência e dimensionados incorretamente. Dessa forma, este trabalho apresenta um estudo sobre juntas aparafusadas de materiais compósitos de matriz epóxi reforçada com fibra de carbono, a fim de analisar e definir os coeficientes de torque aplicáveis a esses materiais, como também avaliar os efeitos de diferentes valores de torque sobre o laminado, demonstrando a relação entre a carga de prova do parafuso e o pré-carregamento. As análises contemplaram a utilização do método analítico geral e de Motosh, do método dos elementos finitos com modelos tridimensionais e equacionamentos não-lineares, contemplando contatos e aplicação do critério de falha de Hashin. Também foram realizados ensaios experimentais de aplicação de torque, de resistência da junta em tração e análise fractográfica. Os resultados dos ensaios de aplicação de torque demonstraram que o coeficiente de torque aplicável para a junta de material compósito é aproximadamente 50% maior do que o aplicado para juntas metálicas, independentemente do valor de torque utilizado. Assim, os pré-carregamentos obtidos experimentalmente apresentaram valores até 39,4% menores do que os calculados utilizando o coeficiente de torque recomendado para juntas metálicas. Outra contribuição deste trabalho foi a recomendação na utilização de pré-carregamentos entre 68% e 100% da carga de prova do parafuso. No entanto, os resultados dos ensaios de resistência da junta em tração indicaram que não houve aumento da carga de falha por tração utilizando um pré-carregamento de 100% da carga de prova do parafuso, quando comparado com corpos de prova submetidos a pré-carregamento com relação de 80,2%, não apresentando vantagem deste último para condições de carregamentos estáticos. Além disso, a análise fractográfica revelou que os diferentes pré-carregamentos aplicados não influenciaram nos modos de falha observados na superfície de fratura dos corpos de prova.
Considering high responsibility bolted joints, the application of initial tension force entitled preload is essential due the compression effect over the joint components, increasing the friction forces between them and improving the joint mechanical strength even when it is submitted to an external tensile load than a shear load. Moreover, the torque to generate the preload is dependent on the thread geometry and the coefficient of friction between the involved materials. These variables in the equation to obtain the torque is entitled coefficient of torque and its value directly influences the preload. However, for composite material joints, the coefficients of torque are considered approximately and superficially in few studies, using the values for metallic material joints as a reference, resulting in low efficient components of composite material and incorrectly dimensioned. Thus, this work presents a study of bolted joints in carbon fiber reinforced epoxy to analyze and determine the applicable coefficients of torque for this type of material, and the effect of different torque values over the laminate indicating the relation between the bolt proof load and the preload. The analysis regarded the application of the general and Motosh analytical methods, finite element method with tridimensional models and non-linear equations, contact between the components and the use of Hashin failure criterion. It was also performed torque application tests, tension tests and fractography analysis. The torque application tests results showed the coefficient of torque for composite material joints is approximately 50% higher than the applied coefficient in metallic joints, independently of the torque value. Thus, the experimental preloads values were 39,4% lower than the ones obtained analytically using the coefficient used for metallic joints. Another contribution of this study was the recommendation to apply preloads between 68% to 100% of the bolt proof load. However, the tensile tests results demonstrated that the tensile failure load did not increase due a preload corresponding a 100% of bolt proof load in comparison with specimens submitted to 80,2% of proof load, not presenting an advantage for static load conditions. Furthermore, the fractographic analysis showed that the different preloads do not present an influence in the observed failure modes on the fracture surfaces of the specimens.
Considering high responsibility bolted joints, the application of initial tension force entitled preload is essential due the compression effect over the joint components, increasing the friction forces between them and improving the joint mechanical strength even when it is submitted to an external tensile load than a shear load. Moreover, the torque to generate the preload is dependent on the thread geometry and the coefficient of friction between the involved materials. These variables in the equation to obtain the torque is entitled coefficient of torque and its value directly influences the preload. However, for composite material joints, the coefficients of torque are considered approximately and superficially in few studies, using the values for metallic material joints as a reference, resulting in low efficient components of composite material and incorrectly dimensioned. Thus, this work presents a study of bolted joints in carbon fiber reinforced epoxy to analyze and determine the applicable coefficients of torque for this type of material, and the effect of different torque values over the laminate indicating the relation between the bolt proof load and the preload. The analysis regarded the application of the general and Motosh analytical methods, finite element method with tridimensional models and non-linear equations, contact between the components and the use of Hashin failure criterion. It was also performed torque application tests, tension tests and fractography analysis. The torque application tests results showed the coefficient of torque for composite material joints is approximately 50% higher than the applied coefficient in metallic joints, independently of the torque value. Thus, the experimental preloads values were 39,4% lower than the ones obtained analytically using the coefficient used for metallic joints. Another contribution of this study was the recommendation to apply preloads between 68% to 100% of the bolt proof load. However, the tensile tests results demonstrated that the tensile failure load did not increase due a preload corresponding a 100% of bolt proof load in comparison with specimens submitted to 80,2% of proof load, not presenting an advantage for static load conditions. Furthermore, the fractographic analysis showed that the different preloads do not present an influence in the observed failure modes on the fracture surfaces of the specimens.
Descrição
Palavras-chave
Compósito, Juntas aparafusadas, Elementos finitos, Torque, Pré-carregamento, Fibra de carbono, Epóxi, Coeficiente de torque., Composite, Bolted joints, Preload, Finite element, Carbon fiber, Epoxy, Coefficient of torque, Materiais compostos, Juntas (Engenharia), Análise dos elementos finitos