Author(s): Rocha, Ricardo Jorge Braga da
Date: 2016
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.22/9872
Origin: Repositório Científico do Instituto Politécnico do Porto
Subject(s): Adesivos estruturais; Junta de sobreposição simples; Modelos de dano coesivo; Elementos finitos; Simulação numérica; Structural adhesive; Single-lap joint; Cohesive zone models; Finite elemento; Numerical simulation; Construções Mecânicas
Adhesively-bonded joints are extensively used in several fields of engineering. Cohesive Zone Models (CZM) have been used for the strength prediction of adhesive joints, as an add-in to Finite Element (FE) analyses that allows simulation of damage growth, by consideration of energetic principles [1]. A useful feature of CZM is that different shapes can be developed for the cohesive laws, depending on the nature of the material or interface to be simulated, allowing an accurate strength prediction. On the other hand, different simulation conditions, and damage initiation and growth criteria, are available for use in CZM analyses to provide the mixed-mode behaviour required to analyse these structures, having as basis the pure tensile and shear CZM laws. Thus, it is highly relevant to understand in detail the influence of these different conditions on the outcome of the simulations. This work studies the influence of different conditions used in CZM simulations to model a thin adhesive layer in single-lap adhesive joints under a tensile loading, for an estimation of their influence on the strength prediction under different geometrical and material conditions. Validation with experimental data is considered. A comprehensive evaluation is performed, considering adhesives ranging from brittle (Araldite® AV138) to highly ductile (Sikaforce® 7752). An adhesive with moderate ductility, the Araldite® 2015, is also considered. Overlap lengths (LO) between 12.5 and 50 mm were also equated. Different simulation conditions were performed and analysed, in which regards to: variation of the elastic stiffness of the cohesive law, decoupling of the loading modes, evaluation of different law shapes, variation of the cohesive parameters and consideration of several damage initiation and growth criteria. The analysis carried out in this dissertation allowed to conclude that CZM is a powerful technique for strength prediction of bonded joints, provided that the modelling conditions are properly defined. The influence of varying conditions to the standard ones was also assessed, showing that erroneous results can be obtained if the choice of the modelling conditions is not the most suitable for the problem.
As juntas adesivas têm vindo a ser cada vez mais utilizadas em diversos ramos da engenharia. Por outro lado, os modelos de dano coesivo (MDC) têm vindo a ser utilizados para prever a resistência das juntas adesivas, como um desenvolvimento dos elementos Finitos (EF) que permite a simulação do crescimento do dano através da consideração dos princípios energéticos [1]. Uma característica importante dos MDC é a possibilidade de desenvolver diferentes formas de leis coesivas, dependendo da natureza do material ou da interface a ser simulada, permitindo desse modo a correta previsão da resistência. Por outro lado, ainda, na análise de MDC, diferentes condições de simulação, critérios de iniciação e crescimento do dano estão disponíveis para simular o comportamento em modo misto, necessárias para analisar as ligações adesivas, tendo como base leis coesivas em modo puro de tração e corte. Torna-se então extremamente importante compreender detalhadamente a influência destas diferentes condições nos resultados das simulações. Este trabalho estuda a influência de diferentes condições de MDC usadas para modelar uma camada fina de adesivo numa junta de sobreposição simples, sujeita a tração, de forma a avaliar de que forma a previsão da resistência é afectada por estas condições. Os resultados numéricos são validados com recurso a um trabalho prévio experimental. O estudo considerou juntas com comprimentos de sobreposição entre 12,5 e 50 mm e adesivos que variam desde o frágil (Araldite® AV138) ao de elevada ductilidade (Sikaforce® 7752). Recorreu-se ainda a um adesivo de ductilidade moderada, o Araldite®2015. As diversas condições de simulação realizadas e analisadas foram: variação da rigidez da lei coesiva, a dissociação dos modos de carregamento, diferentes formas de leis coesivas, variação dos parâmetros coesivos e a validação de diferentes critérios de inicio e crescimento do dano. A análise desenvolvida nesta dissertação permitiu concluir que os MDC são uma técnica robusta para a previsão da resistência de juntas adesivas, desde que e que as condições de modelação sejam corretamente definidas. A influência da variação das condições de modelação foi analisada, mostrando que os resultados podem ser adulterados quando a escolha das condições não é a mais acertada.
