Strength prediction of adhesively-bonded scarf repairs in composite structures under bending

This work reports on the experimental and numerical study of the bending behaviour of two-dimensional adhesively-bonded scarf repairs of carbon-epoxy laminates, bonded with the ductile adhesive Araldite 2015®. Scarf angles varying from 2 to 45º were tested. The experimental work performed was used to validate a numerical Finite Element analysis using ABAQUS® and a methodology developed by the authors to predict the strength of bonded assemblies. This methodology consists on replacing the adhesive layer by cohesive elements, including mixed-mode criteria to deal with the mixed-mode behaviour usually observed in structures. Trapezoidal laws in pure modes I and II were used to account for the ductility of the adhesive used. The cohesive laws in pure modes I and II were determined with Double Cantilever Beam and End-Notched Flexure tests, respectively, using an inverse method. Since in the experiments interlaminar and transverse intralaminar failures of the carbon-epoxy components also occurred in some regions, cohesive laws to simulate these failure modes were also obtained experimentally with a similar procedure. A good correlation with the experiments was found on the elastic stiffness, maximum load and failure mode of the repairs, showing that this methodology simulates accurately the mechanical behaviour of bonded assemblies.

Buckling strength of adhesively-bonded single and double-strap repairs on carbon-epoxy structures

This work reports on an experimental and finite element method (FEM) parametric study of adhesively-bonded single and double-strap repairs on carbon-epoxy structures under buckling unrestrained compression. The influence of the overlap length and patch thickness was evaluated. This loading gains a particular significance from the additional characteristic mechanisms of structures under compression, such as fibres microbuckling, for buckling restrained structures, or global buckling of the assembly, if no transverse restriction exists. The FEM analysis is based on the use of cohesive elements including mixed-mode criteria to simulate a cohesive fracture of the adhesive layer. Trapezoidal laws in pure modes I and II were used to account for the ductility of most structural adhesives. These laws were estimated for the adhesive used from double cantilever beam (DCB) and end-notched flexure (ENF) tests, respectively, using an inverse technique. The pure mode III cohesive law was equalled to the pure mode II one. Compression failure in the laminates was predicted using a stress-based criterion. The accurate FEM predictions open a good prospect for the reduction of the extensive experimentation in the design of carbon-epoxy repairs. Design principles were also established for these repairs under buckling.

Numerical evaluation of three-dimensional scarf repairs in carbon-epoxy structures

The widespread employment of carbon-epoxy laminates in high responsibility and severely loaded applications introduces an issue regarding their handling after damage. Repair of these structures should be evaluated, instead of their disposal, for cost saving and ecological purposes. Under this perspective, the availability of efficient repair methods is essential to restore the strength of the structure. The development and validation of accurate predictive tools for the repairs behaviour are also extremely important, allowing the reduction of costs and time associated to extensive test programmes. Comparing with strap repairs, scarf repairs have the advantages of a higher efficiency and the absence of aerodynamic disturbance. This work reports on a numerical study of the tensile behaviour of three-dimensional scarf repairs in carbon-epoxy structures, using a ductile adhesive (Araldite® 2015). The finite elements analysis was performed in ABAQUS® and Cohesive Zone Modelling was used for the simulation of damage onset and growth in the adhesive layer. Trapezoidal cohesive laws in each pure mode were used to account for the ductility of the specific adhesive mentioned. A parametric study was performed on the repair width and scarf angle. The use of over-laminating plies covering the repaired region at the outer or both repair surfaces was also tested as an attempt to increase the repairs efficiency. The obtained results allowed the proposal of design principles for repairing composite structures.

Tensile behaviour of single and double-strap repairs on aluminium structures

In this work, an experimental study was performed on the influence of plug filling, loading rate and temperature on the tensile strength of single-strap (SS) and double-strap (DS) repairs on aluminium structures. The experimental programme includes repairs with different values of overlap length (LO=10, 20 and 30 mm), and with and without plug filling. The influence of the testing speed on the repairs strength is also addressed (considering 0.5, 5 and 25 mm/min). Accounting for the temperature effects, tests were carried out at room temperature, 50ºC and 80ºC. This will permit a comparative evaluation of the adhesive tested below and above the Glass Transition Temperature (Tg), established by the manufacturer at 67ºC. The global tendencies of the test results concerning the plug filling and overlap length analyses are interpreted from the fracture modes and typical stress distributions for bonded repairs. According to the results obtained from this work, design guidelines for repairing aluminium structures were recommended.

Estudo da delaminação em compósitos

As excelentes propriedades mecânicas, associadas ao seu baixo peso, fazem com que os materiais compósitos sejam atualmente dos mais interessantes da nossa sociedade tecnológica. A crescente utilização destes materiais e a excelência dos resultados daí provenientes faz com que estes materiais sejam utilizados em estruturas complexas de responsabilidade, pelo que a sua maquinagem se torna necessária de forma a possibilitar a ligação entre peças. O processo de furação é o mais frequente. O processo de maquinagem de compósitos terá como base os métodos convencionais utilizados nos materiais metálicos. O processo deverá, no entanto, ser convenientemente adaptado, quer a nível de parâmetros, quer a nível de ferramentas a utilizar. As características dos materiais compósitos são bastante particulares pelo que, quando são sujeitos a maquinagem poderão apresentar defeitos tais como delaminação, fissuras intralaminares, arrancamento de fibras ou dano por sobreaquecimento. Para a detecção destes danos, por vezes a inspeção visual não é suficiente, sendo necessário recorrer a processos específicos de análise de danos. Existem já, alguns estudos, cujo âmbito foi a obtenção de furos de qualidade em compósitos, com minimização do dano, não se podendo comparar ainda com a informação existente, no que se refere à maquinagem de materiais metálicos ou ligas metálicas. Desta forma, existe ainda um longo caminho a percorrer, de forma a que o grau de confiança na utilização destes materiais se aproxime aos materiais metálicos. Este trabalho experimental desenvolvido nesta tese assentou essencialmente na furação de placas laminadas e posterior análise dos danos provocados por esta operação. Foi dada especial atenção à medição da delaminação causada pela furação e à resistência mecânica do material após ser maquinado. Os materiais utilizados, para desenvolver este trabalho experimental, foram placas compósitas de carbono/epóxido com duas orientações de fibras diferentes: unidireccionais e em “cross-ply”. Não se conseguiu muita informação, junto do fornecedor, das suas características pelo que se levaram a cabo ensaios que permitiram determinar o seu módulo de elasticidade. Relativamente á sua resistência â tração, como já foi referido, a grande resistência oferecida pelo material, associada às limitações da máquina de ensaios não permitiu chegar a valores conclusivos. Foram usadas três geometrias de ferramenta diferentes: helicoidal, Brad e Step. Os materiais utilizados nas ferramentas, foram o aço rápido (HSS) e o carboneto de tungsténio para as brocas helicoidais de 118º de ângulo de ponta e apenas o carboneto de tungsténio para as brocas Brad e Step. As ferramentas em diamante não foram consideradas neste trabalho, pois, embora sejam reconhecidas as suas boas características para a maquinagem de compósitos, o seu elevado custo não justifica a sua escolha, pelo menos num trabalho académico, como é o caso. As vantagens e desvantagens de cada geometria ou material utilizado foram avaliadas, tanto no que diz respeito à delaminação como á resistência mecânica dos provetes ensaiados. Para a determinação dos valores de delaminação, foi usada a técnica de Raio X. Algum conhecimento já existente relativamente a este processo permitiu definir alguns parâmetros (por exemplo: tempo de exposição das placas ao liquido contrastante), que tornaram acessível o procedimento de obtenção de imagens das placas furadas. Importando estas imagens para um software de desenho (no caso – AutoCad), foi possível medir as áreas delaminadas e chegar a valores para o fator de delaminação de cada furo efetuado. Terminado este processo, todas as placas foram sujeitas a ensaios de esmagamento, de forma a avaliar a forma como os parâmetros de maquinagem afectaram a resistência mecânica do material. De forma resumida, são objetivos deste trabalho: - Caracterizar as condições de corte em materiais compósitos, mais especificamente em fibras de carbono reforçado com matriz epóxida (PRFC); - Caracterização dos danos típicos provocados pela furação destes materiais; - Desenvolvimento de análise não destrutiva (RX) para avaliação dos danos provocados pela furação; - Conhecer modelos existentes com base na mecânica da fratura linear elástica (LEFM); - Definição de conjunto de parâmetros ideais de maquinagem com o fim de minimizar os danos resultantes da mesma, tendo em conta os resultados provenientes dos ensaios de força, da análise não destrutiva e da comparação com modelos de danos existentes e conhecidos.

Towards a Mobile Three-dimensional Modelling System for Underground Structures

Robotica 2012: 12th International Conference on Autonomous Robot Systems and Competitions April 11, 2012, Guimarães, Portugal

Strength improvement of adhesively-bonded scarf repairs in aluminium structures with external reinforcements

Adhesively bonded techniques are an attractive option to repair aluminium structures, compared to more traditional methods. Actually, as a result of the improvement in the mechanical characteristics of adhesives, adhesive bonding has progressively replaced the traditional joining methods. There are several bonded repair configurations, as single-strap, double-strap and scarf. Compared with strap repairs, scarf repairs have the advantages of a higher efficiency and the absence of aerodynamic disturbance. The higher efficiency is caused by the elimination of the significant joint eccentricities of strap repairs. Moreover, stress distributions along the bond length are more uniform, due to tapering of the scarf edges. The main disadvantages of this technique are the difficult machining of the surfaces, associated costs and requirement of specialised labour. This work reports on an experimental and numerical study of the tensile behaviour of two-dimensional (2D) scarf repairs of aluminium structures bonded with the ductile epoxy adhesive Araldite® 2015. The numerical analysis, by Finite Elements (FE), was performed in Abaqus® and used cohesive zone models (CZM) for the simulation of damage onset and growth in the adhesive layer, thus enabling the strength prediction of the repairs. A parametric study was performed on the scarf angle (α) and different configurations of external reinforcement (applied on one or two sides of the repair, and also different reinforcement lengths). The obtained results allowed the establishment of design guidelines for repairing, showing that the use of external reinforcements enables increasing α for equal strength recovery, which makes the repair procedure easier. The numerical technique was accurate in predicting the repairs’ strength, enabling its use for design and optimisation purposes.

Sistemas Modulares de Escoramento para Estruturas de Contenção Enterradas

No presente trabalho apresentam-se estudos desenvolvidos com o objetivo de análise, conceção e dimensionamento de sistemas de escoramentos metálicos modulares e reaproveitáveis a usar como alternativa técnica e económica em estruturas de contenção periférica. O sistema concebido aplicouse a um caso concreto de uma escavação urbana executada no centro de Luanda, Angola. O projeto começou a ser estudado tendo em conta os estudos geológicos e geotécnicos do terreno em causa, e posteriormente foi estudada a solução construtiva elaborada. Feito o estudo sobre a obra que se realizou com uma parede moldada e ancoragens pré-esforçadas, foi possível, a partir dai, elaborar estudos com outro tipo de sistemas de apoio. Assim, realizaram-se estudos para sistemas de apoio com escoramento linear; colunas metálicas e por uma treliça. Posteriormente, de forma a completar, complementar e poder comparar toda a pesquisa, foram efetuados mais quatro estudos, sendo os sistemas de apoio constituídos por colunas metálicas e/ou tubos circulares ou retangulares em forma elíptica no terreno do projeto e num terreno em forma de quadrado perfeito. Através dos vários estudos foi possível comparar os resultados e perceber qual será a melhor forma de otimização para futuras obras. Foi gerado um método de escoramento, que é possível ser utilizado tendo em conta as particularidades de cada obra, constituído por perfis metálicos com dimensões standard formando elipses ou círculos, conforme a forma do terreno. De maneira a finalizar este projeto foram estudados vários tipos de ligações, quer entre perfis, quer para os perfis e a parede, como também os perfis e os apoios verticais, caso sejam necessários. Como conclusão, e de forma expedita foi analisado o custo direto que apenas abrange a quantidade de aço utilizada para cada tipo de apoio dimensionado, comparando a escavação do projeto em causa com a escavação quadrada.