Author(s): Gonçalves, Diogo José da Costa
Date: 2018
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.22/13929
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
De acordo com evidencias históricas, a indústria aeronáutica foi pioneira na utilização de ligações adesivas. Esta técnica começou por ser aplicada com adesivos naturais, mas a necessidade de melhorar as propriedades mecânicas levou à introdução de adesivos preparados sinteticamente. A descoberta das vantagens na utilização deste processo fez com que os métodos de ligação mecânicos convencionais como, por exemplo, rebitagem, aparafusamento e soldadura, fossem substituídos por ligações adesivas. Atualmente, esta técnica impôs-se em diversos setores industriais como aerospacial, automóvel, eletrónica, entre outros. Devido ao crescimento da aplicação de adesivos estruturais em construções mecânicas, foram desenvolvidos vários tipos de configurações de juntas com o intuito de melhorar o seu desempenho. As geometrias mais comuns são as juntas de sobreposição simples (JSS), juntas de sobreposição dupla (JSD) e juntas com chanfros interiores e exteriores. As juntas em degrau são permanentemente alvo de estudo no que diz respeito à distribuição de tensões que são desenvolvidas na camada adesiva, dado que as suas características não estão plenamente identificadas. O trabalho realizado consiste na avaliação numérica do desempenho mecânico de juntas adesivas em degrau submetidas a esforços de tração, em função do comprimento de sobreposição (LO). Este estudo tem também como objetivo analisar a influência da rigidez do adesivo utilizado na resistência da junta. Para esse fim, foram analisadas juntas ligadas com três tipos de adesivos, o adesivo altamente frágil Araldite® AV138, o adesivo com características intermédias Araldite® 2015 e o adesivo dúctil Sikaforce® 7752. No desenvolvimento do trabalho numérico foram obtidas, através da análise do método elementos finitos (EF) e com recurso ao software Abaqus®, a distribuição de tensões de arrancamento (σy) e tensões de corte (τxy) ao longo da camada adesiva. Foram também estudados os modos de rotura das juntas e a evolução da variável de dano (SDEG) ao longo do processo de carregamento, com recurso aos modelos de dano coesivo (MDC). Pelas curvas P-δ obtidas numericamente, foi possível fazer uma previsão da resistência das juntas, definida pela carga máxima admitida (Pmáx). O estudo numérico desenvolvido permitiu verificar que as características do adesivo têm grande influência na resistência da junta. As juntas ligadas com o adesivo frágil apresentam melhores desempenhos para baixos valores de LO, enquanto os adesivos dúcteis obtêm melhores resultados para valores de LO elevados, devido à grande capacidade de distribuir e uniformizar as tensões desenvolvidas ao longo da camada adesiva.
According to historical evidence, the aeronautical industry pioneered the use of adhesive bonds. This technique began by being applied with natural adhesives, but the need to improve the mechanical properties led to the introduction of synthetically prepared adhesives. The discovery of the advantages in using this process meant that conventional mechanical joining methods such as riveting, bolting and welding were replaced with adhesive bonds. Currently, this technique has been imposed in several industrial sectors such as aerospace, automobile, electronics, among others. Due to the growth of the application of structural adhesives in mechanical constructions, several types of joint configurations have been developed to improve their performance. The most common geometries are single-lap joints, double-lap joints and joints with inner and outer chamfering. Step joints are permanently under study regarding the distribution of stresses that are developed in the adhesive layer, since their characteristics are not fully identified. The work carried out consists of the numerical evaluation of the mechanical performance of bonded stepped-lap joints submitted to tensile stresses as a function of the overlap length (LO). This study also aims to analyze the influence of the stiffness of the adhesive used on the strength of the joint. To this end, bonded joints were analyzed with three types of adhesives, the highly brittle adhesive Araldite® AV138, the intermediate adhesive Araldite® 2015 and the ductile adhesive Sikaforce® 7752. In the development of the numerical work, the distribution of peel stresses (σy) and shear stresses (τxy) along the adhesive layer were obtained, by the finite element method and with the Abaqus® software. The joint failure modes and the evolution of the damage variable (SDEG) along the loading process were also studied using Cohesive Zone Models (CZM). By means of the numerically obtained P-δ curves, it was possible to predict the joints’ strength, defined by the maximum load (Pmáx). The developed numerical study allowed to verify that the characteristics of the adhesive have great influence on the joints’ strength. The joints bonded with the brittle adhesive exhibit better performances at low LO values, while the ductile adhesives obtain better results at high LO values, due to the higher ability to distribute and uniformize the stresses developed along the adhesive layer.
