Experimental investigation on stiffness and strength of single-lap z-pinned joints in a laminated CFRP stress-ribbon strip

Abstract

Carbon fiber-reinforced polymer (carbon-polymer) is an advanced lightweight composite material with high strength and excellent resistance to corrosion and fatigue. Over the past decades, application of fiber-reinforced polymers has been spread from the aerospace to other branches of industry such as automobile and civil engineering. Unidirectional carbon-polymers have a high potential for replacing steel in ten sile members. Recently, the first carbon- polymer stress-ribbon bridge has been constructed in Germany. The non-laminated strip-loop carbon-polymer thin strips were used as the load bearing components in this bridge. In comparison with the laminated components, the applied cables are characterized by a more uniform strain distribution though reduced structural integrity. Alternative jointing technologies of carbon-polymer laminates are considered in this paper with an intention to increase the structural integrity and reliability of the production. Tensile behavior of the single-lap joints was investigated experimentally. Three types of the joints were considered. Adhesive joint was set as the reference. The overlap region of the mechanically fastened joints was produced using 9, 25, or 36 steel needles (z-pins) of 1 mm diameter. The proposed hybrid joints were additionally connected with adhesive increasing the load-bearing capacity of the reference joint up to 230%. Concerning the brittle fracture of the adhesive counterparts, the extended prog ressive failure process within the hybrid joints is responsible for the improvement.

Anglies pluošto armuoti polimerai (anglies polimerai) yra pažangios lengvos kompozicinės medžiagos, turinčios didelį stiprį bei pasižyminčios puikiu atsparumu korozijai ir nuovargiui. Per pastaruosius dešimtmečius pluošto sustiprintų polimerų naudojimas iš kosmosui arba lėktuvų gamybai skirtų technologijų atėjo į kitas pramonės šakas, pavyzdžiui, automobilių gamybą arba statybos inžineriją. Vienkrypčiai anglies pluošto polimerai turi didelį potencialą pakeisti tempiamuosiuose elementuose plieną. Pirmasis anglies polimero vienajuostis kabamasis tiltas neseniai buvo pastatytas Vokietijoje. Anglies polimero plonų juostelių nelaminuotos kilpos buvo šiame tilte naudojamos kaip laikančiosios komponentės. Lyginant su laminatais, naudojamos kilpos pasižymi daug tolygesniu įtempių paskirstymu, nors ir mažesniu konstrukciniu vientisumu. Šiame straipsnyje nagrinėjamos alternatyvios sujungimo technologijos, skirtos anglies polimero laminatų struktūriniam vientisumui ir gamybos patikimumui didinti. Tempiamųjų viensluoksnių užleistinių jungčių elgsena buvo tirta eksperimentiškai. Išbandytos trijų tipų jungtys. Klijuotas mazgas laikomas etalonu. Buvo naudojami 9, 25, arba 36 vieno milimetro skersmens plieno virbalai (Z adatos), mechaniškai sutvirtinantys polimero lakštų užleistinę jungtį. Siūlomi hibridiniai mazgai buvo papildomai klijuoti, taip didinant jų laikomąjį galią iki 230 %, lyginant su etaloniniu mazgu. Šį patobulinimą užtikrino hibridinio mazgo išplėstinis progresuojantis irties pobūdis – išvengta klijuotinės jungties trapiosios irties.