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Analysis of fiber reinforced plastic bolted flange joints

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Khazraiyanvafadar, Ali (2019). Analysis of fiber reinforced plastic bolted flange joints. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Fiber Reinforced Plastic (FRP) composites are extensively used in the areas of pressure vessels and piping and FRP bolted flange joints have experienced a spectacular development to provide continuity for the flow of fluid through piping systems. In spite of the increased use of FRP composites in bolted flange joints and the good knowledge of these structures and their material behavior the procedure used for their design is still that of metallic flanges. There is a major concern to appropriately address the anisotropic behavior of composite materials in a flange design. Therefore, it is necessary to make a precise evaluation of the bolt and gasket loads in order to be able to predict the integrity of FRP bolted flange joints.

This thesis presents two analytical model cases; one with the flange hub and the other one without the flange hub. These models are supported by numerical finite element modeling and experimental test data. The study treats FRP bolted flange joints integrity and leak tightness based on the anisotropy and flexibility analysis of all joint elements including the gasket, bolts, and flanges. In the analytical models for the flange with and without the hub, the composite flanges are subdivided into three major categories, namely: ring flange, hub, and shell. The experimental study was carried out on a well-equipped test bench, used for Hot Blow out test of PTFE gaskets. The rig was modified to accommodate an NPS 3 FRP bolted flange joint designed according to ASME BPV Code Section X. Furthermore, three different numerical models based on 3D anisotropic layered shell and solid element models were conducted to compare and verify the results obtained from analytical and experimental approaches.

In spite of the rigorous mathematical analysis and complexity of the laminate composite flange, comparing the results proved that the proposed analytical models for FRP flanges with and without the hub, are efficient, accurate and reliable in predicting the longitudinal and tangential stress distributions on the flange surface and radial displacement of the flange. Moreover, the results demonstrated that the FE model which is developed for FRP flanges with and without the hub can depict the true behavior of FRP bolted flange joints.

Titre traduit

Analyse de raccords de brides boulons plastiques renforcés de fibres

Résumé traduit

Les composites en plastique renforcé de fibres (FRP) sont largement utilisés dans les domaines des appareils et tuyauterie sous pression. Les assemblages à brides boulonnées en FRP ont connu un développement spectaculaire dans le domaine du transport des fluides dans les systèmes de tuyauterie. Malgré l'utilisation accrue des composites de FRP dans les assemblages à brides boulonnées et la bonne connaissance de ces structures et du comportement de leurs matériaux, la procédure utilisée pour leur conception reste celle adoptée pour les brides métalliques. Cependant, les résultats sont souvent biaisés puisque celle-ci ne prend pas en considération le comportement anisotrope des brides en composites. Par conséquent, il est nécessaire de développer une approche réaliste pour procéder à une évaluation précise de la redistribution des charges dans l’assemblage afin de prédire l’intégrité des brides boulonnés en FRP.

Cette thèse présente deux modèles analytiques de brides, un sans collerette et un avec collerette. Ces modèles sont supportés par des modèles numériques par éléments finis et des essais expérimentaux. L’étude traite l’intégrité structurelle et l’étanchéité des assemblages à brides boulonnés en FRP sur la base de l’anisotropie, ainsi qu’une analyse de la flexibilité de tous les éléments de joint, à savoir le joint, les boulons et les brides. Dans les modèles analytiques des brides avec et sans collerette, la bride en composites est subdivisée en trois parties principales, à savoir: l’anneau ou la plaque annulaire, la collerette et la coque cylindrique. L’étude expérimentale, laquelle repose une approche fiable pour évaluer le modèle analytique proposé, a été réalisée sur un banc d’essai (banc d’éclatement de joints HOBT). Le banc d’essai a été modifié pour accommoder les brides NPS 3 en FRP conçu conformément à la section X du code l’ASME. Des modèles numériques 3D avec des éléments à coque anisotrope et des éléments solides ont été réalisés pour comparer et vérifier les résultats obtenus par les approches analytiques et expérimentales.

Malgré l'analyse mathématique rigoureuse et la complexité des brides composite stratifié, la comparaison des résultats a prouvé que les modèles analytiques proposés des brides en FRP avec et sans le moyeu sont efficaces, précis et fiables pour prédire la distribution des contraintes longitudinales et tangentielles dans la bride ainsi que le déplacement radial de la bride. De plus, les résultats ont montré que le modèle FE développé pour les brides en FRP avec et sans moyeu peut reproduire parfaitement le comportement des assemblages à brides boulonnés en FRP.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 159-164).
Mots-clés libres: plastique renforcé de fibres (FRP), assemblages à brides boulonnées, composites, anisotropie, assemblage avec joint plat
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bouzid, Abdel-Hakim
Codirecteur:
Codirecteur
Ngô, Anh Dung
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 04 oct. 2019 20:13
Dernière modification: 04 oct. 2019 20:13
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2369

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