The stress distribution about a bolted joint in an elastically orthotropic or quasi-isotropic plate is investigated by using finite element method. The hole of orthotropic plate loaded frictionless on only a part of its edge by an elastic pin of the same diameter. The contact angle and the stress distribution around a fastener hole for several joint configurations and several laminates are calculated. The normal stress distribution carrying over the loading force from a steel pin into a hole in an orthotropic plate depends strongly on the properties of the plate material. Due to its anisotropy, a cosine distribution for normal stress which is often assumed to isotropic material, is not a good approximation and maximum tangential stress does not always occur in the minimum net area of the plate. The location where the maximum value occurs depends on material properties and the geometry of the joint.
직교 이방성 복합재료의 응용이 다변화되고 많은 구조물에 그 대체기 실현됨으로서 역학적으로 특이한 직교 이방성재료에 대한 연구 및 자료가 요청되고 있다. 기계적 결합법으로 많이 사용되는 bolted joint 의 경우 하중을 받으면 bolt 와 판재는 접촉하게 되고 그 접촉 영역내에서는 높은 접촉응력이 발생하게 되는데 국부적으로 존재하는 이 높은 접촉응력은 피로 파괴의 원인이 되므로 정학한 응력해석이 필요하게 된다.
본 논문에서는 유한요소법을 이용하여 bolted joint 부위의 응력 해석방법을 제시하고 bolt가 steel 이며 판재가 직교 이방성재료인 graphite/epoxy T300/5208 일때 여러가지 기하학적 조건과 재료의 성질에 따른 접촉영역과 접촉응력의 분포를 구하였다.
문제의 단순화를 위하여 bolt 와 관계의 접촉면에서 발생되는 마찰력은 무시하였으며 laminate 에 대한 해석결과로 부터 각 lamina들의 응력분포도 구하였다.
접촉응력의 분포는 그 재료의 성질에 많은 영향을 받고 있음을 알수 있었으며 이방성이 큰 재료일수록 응력집중 계수와 그 응력의 구배는 크게 나타났다. 판재의 hole boundary 에 따른 radial stress 의 분포는 직교 이방성 재료인 경우, bolted joint 를 해석할때 자주 가정하는 cosine load distribution 과는 상당한 차이를 보였고 최대응력 발생기점도 재료의 성질과 기하학적 형상에 따라 넓은 범위에 분포되고 있었다. Tangential stress 의 경우 판재가 $[±45˚]_s$ laminate 일때 최대접선응력은 판재의 최소단면이 아닌 다른 부분에서 발생하였고 오히려 최소단면 부근에서 relative minimum 이 존재하는 것을 관찰하였다.
끝으로 본 논문에서는 각 lamina 들의 응력분포도 구하였으므로 적절한 failure criterion 을 도입하므로서 joint 부위의 strength도 예측할 수 있을 것이다.