Author(s): Silva, João Osvaldo de Sousa e
Date: 2018
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.22/11520
Origin: Repositório Científico do Instituto Politécnico do Porto
Subject(s): Método de Elementos Finitos; Modelos de dano coesivo; Mecânica da fratura; Adesivo estrutural; Juntas adesivas; Junta em degrau; Ensaios mecânicos; Finite Element Method; Cohesive zone models; Fracture mechanics; Structural adhesive; Adhesive joints; Stepped-lap joint; Mechanical tests; Construções mecânicas
As ligações adesivas são atualmente a técnica de união que mais se tem generalizado em diversos sectores industriais como automóvel, aeroespacial, construção civil, mobiliário e aeronáutico, entre outros. De facto, a utilização de adesivos estruturais em construções mecânicas tem verificado um enorme crescimento, pois esta técnica tem vindo a substituir os métodos de ligação convencionais tais como brasagem, rebitagem, ligações aparafusadas e soldadura. A utilização de adesivos estruturais é um processo especialmente adequado na obtenção de estruturas leves, devido a um conjunto interessante de atributos, que vem solucionando as necessidades até então existentes em termos de processos produtivos, fazendo com que esta técnica seja cada vez mais competitiva. Hoje em dia existem vários tipos de configurações de junta disponíveis, sendo que as mais comuns são as de sobreposição simples, sobreposição dupla e de chanfro. As juntas em degrau são um tipo de geometria particular que tem vindo a ser alvo de estudo nomeadamente no que se refere à distribuição de tensões que se desenvolvem na camada adesiva. Contudo, as características deste tipo de configuração ainda não são totalmente conhecidas. O trabalho experimental e numérico realizado tem como objetivo avaliar o desempenho à tração de juntas adesivas em degrau, em função do tipo de adesivo utilizado. Para o efeito foram testados três tipos de adesivos, o adesivo frágil Araldite® AV138, o adesivo moderadamente dúctil Araldite® 2015 e o adesivo dúctil Sikaforce® 7752. Igualmente, foi considerada a variação do valor do comprimento de sobreposição (LO) da junta para posterior análise da sua influência na resistência. No âmbito do trabalho numérico desenvolvido, foram executas análises pelo método de elementos finitos (MEF) convencional na obtenção da distribuição de tensões de arrancamento (σy) e de corte τxy) que se desenvolvem na camada adesiva. Com recurso a modelos de dano coesivo (MDC) foi realizado o estudo dos modos de rotura e da evolução da variável de dano durante o processo de dano. Foi também alvo de análise a capacidade dos MDC na realização de previsão da resistência da junta. Com o estudo desenvolvido, verifica-se que o tipo de adesivo desempenha um papel fundamental no que diz respeito à capacidade de carga (Pmáx) da junta, sendo que o adesivo frágil mostra melhor desempenho para menores valores de LO, enquanto os adesivos dúcteis obtêm melhores resultados para maiores valores de LO. Pela análise dos valores numéricos obtidos com recurso aos MDC constatou-se que estes revelam uma boa capacidade na determinação do comportamento das juntas.
Adhesive bonding is currently one of the most widespread joining techniques in several industrial fields such as automotive, aerospace, construction, furniture, aeronautics and sports equipment, among others. In fact, the use of adhesive bonds in mechanical structures has been growing, and replacing conventional bonding methods such as brazing, riveting, fastening and welding. Adhesive bonding is indeed a suitable process in lightweight construction, due to an interesting set of advantages, which can solve the needs of industrial processes, making this joining technique competitive in current days. Several joint configurations are available for the designer, and the most common are single-lap, double-lap and scarf joints. The stepped-lap joint is a particular joint design, which has been subjected to some investigations on the stress distributions that develop in adhesive layer. However, the characteristics of this joint configuration are not yet fully known. The present work experimentally and numerically evaluates the tensile strength of stepped-lap joints bonded with three adhesives, the brittle Araldite® AV138, the moderately ductile Araldite® 2015 and the ductile Sikaforce® 7752, considering varying values of overlap length (LO). A conventional Finite Element Method (FEM) analysis was undertaken to compare through-thickness normal (σy) and shear (τxy) stresses in the adhesive layer between joint configurations. Additionally, a Cohesive Zone Model (CZM) analysis was considered to study the failure modes and the CZM damage variable during failure, and to evaluate the CZM technique’s capability in predicting the joint strength. It was shown that the type of adhesive has a high influence on the maximum load (Pmáx) predictions, with brittle adhesives showing a better behaviour for smaller LO values and ductile adhesives with a higher performance for bigger values of LO. The CZM analysis revealed good predictive capabilities and enabled a full understanding of the joints’ behaviour.
