Aplicação de um método de correlação de imagem para a determinação da tenacidade à fratura em corte de adesivos estruturais

Qualquer estrutura hoje em dia deve ser resistente, robusta e leve, o que aumentou o interesse industrial e investigação nas ligações adesivas, nomeadamente pela melhoria das propriedades de resistência e fratura dos materiais. Com esta técnica de união, o projeto de estruturas pode ser orientado para estruturas mais leves, não só em relação à economia direta de peso relativamente às juntas aparafusas ou soldadas, mas também por causa da flexibilidade para ligar materiais diferentes. Em qualquer área da indústria, a aplicação em larga escala de uma determinada técnica de ligação supõe que estão disponíveis ferramentas confiáveis para o projeto e previsão da rotura. Neste âmbito, Modelos de Dano Coesivo (MDC) são uma ferramenta essencial, embora seja necessário estimar as leis MDC do adesivo à tração e corte para entrada nos modelos numéricos. Este trabalho avalia o valor da tenacidade ao corte (GIIC) de juntas coladas para três adesivos com ductilidade distinta. O trabalho experimental consiste na caracterização à fratura ao corte da ligação adesiva por métodos convencionais e pelo Integral-J. Além disso, pelo integral-J, é possível definir a forma exata da lei coesiva. Para o integral-J, é utilizado um método de correlação de imagem digital anteriormente desenvolvido para a avaliação do deslocamento ao corte do adesivo na extremidade da fenda (δs) durante o ensaio, acoplado a uma sub-rotina em Matlab® para a extração automática de δs. É também apresentado um trabalho numérico para avaliar a adequabilidade de leis coesivas triangulares aproximadas em reproduzir as curvas força-deslocamento (P-δ) experimentais dos ensaios ENF. Também se apresenta uma análise de sensibilidade para compreender a influência dos parâmetros coesivos nas previsões numéricas. Como resultado deste trabalho, foram estimadas experimentalmente as leis coesivas de cada adesivo pelo método direto, e numericamente validadas, para posterior previsão de resistência em juntas adesivas. Em conjunto com a caraterização à tração destes adesivos, é possível a previsão da rotura em modo-misto.

Modern and competitive structures are sought to be strong, reliable and lightweight, which increased the industrial and research interest in adhesive bonding, namely improving the materials strength and fracture properties. With this joining technique, design can be oriented towards lighter structures, not only regarding the direct weight saving advantages of the joint over fastened or welded joints, but also because of flexibility to joint different materials. In any field of industry, the large-scale application of a given joint technique supposes that reliable tools for design and failure prediction are available. Within this scope, Cohesive Zone Models (CZM) are a powerful tool, although the CZM laws of the adhesive bond in tension and shear are required as input in the numerical models. This work evaluates the value of shear fracture toughness (GIIC) and CZM laws of bonded joints for three adhesives with distinct ductility, by the End-Notched Flexure (ENF) test. The experimental work consists of the shear fracture characterization of the bond by conventional methods and the J integral techniques. Additionally, by the J-integral technique, the precise shape of the cohesive law is defined. For the J-integral, a previously developed digital image correlation method is used for the evaluation of the adhesive layer shear displacement at the crack tip (δs) during the test, coupled to a Matlab® sub-routine for extraction of this parameter automatically. A numerical analysis is also undertaken to assess the validity of parametrized triangular CZM laws to reproduce the experimental load-displacement (P-δ) curves of the ENF tests. A sensitivity analysis was also performed to understand the influence of the CZM parameters on the numerical predictions. As output of this work, shear CZM laws were experimentally estimated for each adhesive by the direct method, and numerically validated, for subsequent use in the strength prediction of bonded joints. Together with the tensile characterization of these adhesives, general mixed-mode fracture prediction is enabled.