Using a cohesive damage model to predict the tensile behaviour of CFRP single-strap repairs

This work addresses both experimental and numerical analyses regarding the tensile behaviour of CFRP single-strap repairs. Two fundamental geometrical parameters were studied: overlap length and patch thickness. The numerical model used ABAQUS® software and a developed cohesive mixed-mode damage model adequate for ductile adhesives, and implemented within interface finite elements. Stress analyses and strength predictions were carried out. Experimental and numerical comparisons were performed on failure modes, failure load and equivalent stiffness of the repair. Good correlation was found between experimental and numerical results, showing that the proposed model can be successfully applied to bonded joints or repairs.

Shear strength of adhesively bonded polyolefins with minimal surface preparation

Interest in polyethylene and polypropylene bonding has increased in the last years. However, adhesive joints with adherends which are of low surface energy and which are chemically inert present several difficulties. Generally, their high degree of chemical resistance to solvents and dissimilar solubility parameters limit the usefulness of solvent bonding as a viable assembly technique. One successful approach to adhesive bonding of these materials involves proper selection of surface pre-treatment prior to bonding. With the correct pre-treatment it is possible to glue these materials with one or more of several adhesives required by the applications involved. A second approach is the use of adhesives without surface pre-treatment, such as hot melts, high tack pressure-sensitive adhesives, solvent-based specialty adhesives and, more recently, structural acrylic adhesives as such 3M DP-8005® and Loctite 3030®. In this paper, the shear strengths of two acrylic adhesives were evaluated using the lap shear test method ASTM D3163 and the block shear test method ASTM D4501. Two different industrial polyolefins (polyethylene and polypropylene) were used for adherends. However, the focus of this study was to measure the shear strength of polyethylene joints with acrylic adhesives. The effect of abrasion was also studied. Some test specimens were manually abraded using 180 and 320 grade abrasive paper. An additional goal of this work was to examine the effect of temperature and moisture on mechanical strength of adhesive joints.

Acrylic adhesives in the polyolefins joining

The mechanical behaviour of single lap adhesive joints was characterized, using two commercial acrylic adhesives. For this purpose the surfaces were cleaned and abraded using fine grit abrasives. The effect of temperature and moisture in the mechanical strength was, also, evaluated. For this characterization, mechanical tests were carried out according procedure and geometry foreseen by ASTM D3163-01 [1] and ASTM D4501-01 [2] standards. The results show that it is possible to get good strengths without great surface preparation. The temperature and moisture effect observed don’t seem to be relevant for the mechanical behaviour.

Microstructure, mechanical properties and chemical degradation of brazed AISI 316 stainless steel/alumina systems

The main aims of the present study are simultaneously to relate the brazing parameters with: (i) the correspondent interfacial microstructure, (ii) the resultant mechanical properties and (iii) the electrochemical degradation behaviour of AISI 316 stainless steel/alumina brazed joints. Filler metals on such as Ag–26.5Cu–3Ti and Ag–34.5Cu–1.5Ti were used to produce the joints. Three different brazing temperatures (850, 900 and 950 °C), keeping a constant holding time of 20 min, were tested. The objective was to understand the influence of the brazing temperature on the final microstructure and properties of the joints. The mechanical properties of the metal/ceramic (M/C) joints were assessed from bond strength tests carried out using a shear solicitation loading scheme. The fracture surfaces were studied both morphologically and structurally using scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction analysis (XRD). The degradation behaviour of the M/C joints was assessed by means of electrochemical techniques. It was found that using a Ag–26.5Cu–3Ti brazing alloy and a brazing temperature of 850 °C, produces the best results in terms of bond strength, 234 ± 18 MPa. The mechanical properties obtained could be explained on the basis of the different compounds identified on the fracture surfaces by XRD. On the other hand, the use of the Ag–34.5Cu–1.5Ti brazing alloy and a brazing temperature of 850 °C produces the best results in terms of corrosion rates (lower corrosion current density), 0.76 ± 0.21 μA cm−2. Nevertheless, the joints produced at 850 °C using a Ag–26.5Cu–3Ti brazing alloy present the best compromise between mechanical properties and degradation behaviour, 234 ± 18 MPa and 1.26 ± 0.58 μA cm−2, respectively. The role of Ti diffusion is fundamental in terms of the final value achieved for the M/C bond strength. On the contrary, the Ag and Cu distribution along the brazed interface seem to play the most relevant role in the metal/ceramic joints electrochemical performance.

Multi-criteria optimization manipulator trajectory planning

In the last twenty years genetic algorithms (GAs) were applied in a plethora of fields such as: control, system identification, robotics, planning and scheduling, image processing, and pattern and speech recognition (Bäck et al., 1997). In robotics the problems of trajectory planning, collision avoidance and manipulator structure design considering a single criteria has been solved using several techniques (Alander, 2003). Most engineering applications require the optimization of several criteria simultaneously. Often the problems are complex, include discrete and continuous variables and there is no prior knowledge about the search space. These kind of problems are very more complex, since they consider multiple design criteria simultaneously within the optimization procedure. This is known as a multi-criteria (or multiobjective) optimization, that has been addressed successfully through GAs (Deb, 2001). The overall aim of multi-criteria evolutionary algorithms is to achieve a set of non-dominated optimal solutions known as Pareto front. At the end of the optimization procedure, instead of a single optimal (or near optimal) solution, the decision maker can select a solution from the Pareto front. Some of the key issues in multi-criteria GAs are: i) the number of objectives, ii) to obtain a Pareto front as wide as possible and iii) to achieve a Pareto front uniformly spread. Indeed, multi-objective techniques using GAs have been increasing in relevance as a research area. In 1989, Goldberg suggested the use of a GA to solve multi-objective problems and since then other researchers have been developing new methods, such as the multi-objective genetic algorithm (MOGA) (Fonseca & Fleming, 1995), the non-dominated sorted genetic algorithm (NSGA) (Deb, 2001), and the niched Pareto genetic algorithm (NPGA) (Horn et al., 1994), among several other variants (Coello, 1998). In this work the trajectory planning problem considers: i) robots with 2 and 3 degrees of freedom (dof ), ii) the inclusion of obstacles in the workspace and iii) up to five criteria that are used to qualify the evolving trajectory, namely the: joint traveling distance, joint velocity, end effector / Cartesian distance, end effector / Cartesian velocity and energy involved. These criteria are used to minimize the joint and end effector traveled distance, trajectory ripple and energy required by the manipulator to reach at destination point. Bearing this ideas in mind, the paper addresses the planning of robot trajectories, meaning the development of an algorithm to find a continuous motion that takes the manipulator from a given starting configuration up to a desired end position without colliding with any obstacle in the workspace. The chapter is organized as follows. Section 2 describes the trajectory planning and several approaches proposed in the literature. Section 3 formulates the problem, namely the representation adopted to solve the trajectory planning and the objectives considered in the optimization. Section 4 studies the algorithm convergence. Section 5 studies a 2R manipulator (i.e., a robot with two rotational joints/links) when the optimization trajectory considers two and five objectives. Sections 6 and 7 show the results for the 3R redundant manipulator with five goals and for other complementary experiments are described, respectively. Finally, section 8 draws the main conclusions.

Efeito de alterações geométricas na resistência de juntas de sobreposição

A utilização de juntas coladas em aplicações industriais tem vindo a aumentar nos últimos anos, em detrimento dos métodos tradicionais de ligação tais como a soldadura, brasagem, ligações aparafusadas e rebitadas. As juntas de sobreposição simples são o tipo de juntas mais frequentemente utilizadas em aplicações industriais, porque são as mais simples de fabricar. No entanto, a aplicação descentrada da carga neste tipo de junta provoca efeitos de flexão que originam o aparecimento de tensões normais na direção da espessura do adesivo (arrancamento), reduzindo assim a resistência da junta colada. De uma maneira geral, existem dois tipos de métodos para reduzir as concentrações de tensões. O primeiro é utilizar alterações no próprio material, otimizando as propriedades do adesivo e do substrato, enquanto o segundo método envolve alterar a geometria da junta, como por exemplo utilizando filetes de adesivo, chanfros nas extremidades dos substratos, aplicar uma geometria ondulada ou dobrar os substratos na zona de sobreposição, ou ainda utilizar rasgos nos substratos ao longo da sobreposição. Neste trabalho é realizado um estudo experimental e numérico por Elementos Finitos de duas alterações efetuadas à geometria de juntas de sobreposição simples, de modo a aumentar a sua resistência comparativamente às juntas sem alteração geométrica. A primeira condição efetuada foi a utilização de rasgos nas extremidades do comprimento de sobreposição e a segunda foi a utilização de rasgos a meio do comprimento de sobreposição. No final do estudo experimental, verificou-se que a resistência da ligação foi significativamente melhorada com algumas das configurações testadas para cada alteração, e foi possível estabelecer em ambos os casos a configuração ótima. Numa fase posterior, procedeu-se à simulação numérica, que incluiu uma análise de tensões e previsão do comportamento das juntas através de modelos de dano coesivo. A análise permitiu obter os modos de rotura, as curvas força-deslocamento e a resistência das juntas. Obteve-se uma concordância bastante boa com os resultados experimentais, o que mostrou a adequabilidade do método de previsão proposto para estimar o comportamento das juntas.

Integer vs. fractional order control of a hexapod robot

This paper studies the performance of integer and fractional order controllers in a hexapod robot with joints at the legs having viscous friction and flexibility. For that objective the robot prescribed motion is characterized in terms of several locomotion variables. The controller performance is analised through the Nyquist stability criterion. A set of model-based experiments reveals the influence of the different controller implementations upon the proposed metrics.

Juntas de sobreposição simples com camada adesiva compósita

São conhecidos alguns trabalhos recentes que evidenciam a utilidade da investigação do efeito da modificação das propriedades dos adesivos no objetivo de influenciar as condições de iniciação do processo de rotura da zona de sobreposição e, consequentemente, do desempenho das juntas adesivas em condições de solicitação. Este trabalho inicia no ISEP um programa em que se pretende avaliar o efeito da introdução de um tecido em fibra de vidro, com espessura muito reduzida, no comportamento de juntas adesivas de sobreposição simples sujeitas a tração. A resistência mecânica, a ductilidade e a morfologia da superfície de rotura foram estudadas com vista a identificar as potenciais variáveis a controlar para desenvolver futuramente juntas adesivas compósitas que permita um desempenho superior quando comparadas com juntas adesivas idênticas sem qualquer modificação. Os resultados obtidos indiciaram que o acabamento superficial afetou claramente os resultados e que o comportamento mecânico é influenciado pelo comprimento de sobreposição.

Desenvolvimento de ferramentas e provetes para o ensaio Thick Adherend Shear Test (TAST).

As estruturas coladas são geralmente projetadas para que o adesivo seja essencialmente sujeito a esforços de corte, pois neste tipo de solicitação o adesivo apresenta melhores caraterísticas mecânicas. A avaliação do comportamento ao corte pode ser realizada com o adesivo no estado maciço ou como camada fina em juntas adesivas. Os métodos que permitem avaliar o comportamento ao corte, quer para o adesivo, quer para as juntas, são: o ensaio Iosipescu ou V-Notched beam shear method, o ensaio de borboleta ou Notched plate shear method (Arcan), o ensaio de torsão, o ensaio de tração numa junta de sobreposição simples e o ensaio Thick Adherend Shear Test (TAST). Os ensaios Arcan e Iosipescu, tal como o ensaio de torção, podem ser realizados em provetes de adesivo maciço ou em juntas. O ensaio de torção é pouco utilizado, porque a aplicação do esforço de corte exige dispositivos e equipamentos de ensaios complexos. Os ensaios Arcan e Iosipescu utilizam provetes com entalhes e podem introduzir alguma dificuldade na medição precisa das deformações. O ensaio de tração numa junta de sobreposição simples é um dos métodos mais usados para caraterizar uma junta adesiva, porque é um método simples, as juntas são de fácil fabrico e pode ser realizado em máquinas universais de ensaios mecânicos. Neste ensaio os aderentes estão sujeitos a uma solicitação de tração, enquanto a camada de adesivo está sujeita a esforços de corte combinados com esforços de arrancamento. Os esforços de arrancamento resultam da própria geometria da junta na qual existe um desalinhamento das forças de tração, mesmo quando são colocados calços (reguladores de espessura) nos locais de amarração. O ensaio TAST é dos mais populares para obtenção das propriedades ao corte, uma vez que tanto as ferramentas de ensaio como o fabrico dos provetes são relativamente simples. Este ensaio é realizado em junta sendo os substratos espessos e de aço que, devido à sua elevada rigidez, contribuem para um esforço de corte praticamente puro no adesivo. Neste trabalho realizou-se o projeto e a fabricação das ferramentas, gabarit e substratos necessários para a execução de provetes TAST e ensaios utilizando diferentes adesivos.

Adherend thickness effect on the tensile fracture toughness of a structural adhesive using an optical data acquisition method

Adhesive bonding is nowadays a serious candidate to replace methods such as fastening or riveting, because of attractive mechanical properties. As a result, adhesives are being increasingly used in industries such as the automotive, aerospace and construction. Thus, it is highly important to predict the strength of bonded joints to assess the feasibility of joining during the fabrication process of components (e.g. due to complex geometries) or for repairing purposes. This work studies the tensile behaviour of adhesive joints between aluminium adherends considering different values of adherend thickness (h) and the double-cantilever beam (DCB) test. The experimental work consists of the definition of the tensile fracture toughness (GIC) for the different joint configurations. A conventional fracture characterization method was used, together with a J-integral approach, that take into account the plasticity effects occurring in the adhesive layer. An optical measurement method is used for the evaluation of crack tip opening and adherends rotation at the crack tip during the test, supported by a Matlab® sub-routine for the automated extraction of these quantities. As output of this work, a comparative evaluation between bonded systems with different values of adherend thickness is carried out and complete fracture data is provided in tension for the subsequent strength prediction of joints with identical conditions.

Mechanical and thermal characterization of a structural polyurethane adhesive modified with thermally expandable particles

Thermally expandable particles (TEPs) are used in a wide variety of applications by industry mainly for weight reduction and appearance improvement for thermoplastics, inks, and coatings. In adhesive bonding, TEPs have been used for recycling purposes. However, TEPs might be used to modify structural adhesives for other new purposes, such as: to increase the joint strength by creating an adhesive functionally modified along the overlap of the joint by gradual heating and/or to heal the adhesive in case of damage. In this study, the behaviour of a structural polyurethane adhesive modified with TEPs was investigated as a preliminary study for further investigations on the potential of TEPs in adhesive joints. Tensile bulk tests were performed to get the tensile properties of the unmodified and TEPs-modified adhesive, while Double Cantilever Beam (DCB) test was performed in order to evaluate the resistance to mode I crack propagation of unmodified and TEPs-modified adhesive. In addition, in order to investigate the behaviour of the particles while encapsulated in adhesives, a thermal analysis was done. Scanning electron microscopy (SEM) was used to examine the fracture surface morphology of the specimens. The fracture toughness of the TEPs-modified adhesive was found to increase by addition of TEPs, while the adhesive tensile strength at yield decreased. The temperature where the particles show the maximum expansion varied with TEPs concentration, decreasing with increasing the TEPs content.

Strap repairs using embedded patches: numerical analysis and experimental results

Adhesively bonded repairs offer an attractive option for repair of aluminium structures, compared to more traditional methods such as fastening or welding. The single-strap (SS) and double-strap (DS) repairs are very straightforward to execute but stresses in the adhesive layer peak at the overlap ends. The DS repair requires both sides of the damaged structures to be reachable for repair, which is often not possible. In strap repairs, with the patches bonded at the outer surfaces, some limitations emerge such as the weight, aerodynamics and aesthetics. To minimize these effects, SS and DS repairs with embedded patches were evaluated in this work, such that the patches are flush with the adherends. For this purpose, in this work standard SS and DS repairs, and also with the patches embedded in the adherends, were tested under tension to allow the optimization of some repair variables such as the overlap length (LO) and type of adhesive, thus allowing the maximization of the repair strength. The effect of embedding the patch/patches on the fracture modes and failure loads was compared with finite elements (FE) analysis. The FE analysis was performed in ABAQUS® and cohesive zone modelling was used for the simulation of damage onset and growth in the adhesive layer. The comparison with the test data revealed an accurate prediction for all kinds of joints and provided some principles regarding this technique.

Cartografia e avaliação geotécnica de blocos rochosos em plataformas costeiras (Gaia, NW Portugal)

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente

Utilização de métodos ópticos de correlação de imagem para a determinação da tenacidade à fractura de adesivos estruturais

Mestrado em Engenharia Mecânica

Influência do tipo de adesivo em juntas híbridas soldadas-adesivas

A necessidade de utilizar métodos de ligação entre componentes de forma mais rápida, eficaz e com melhores resultados, tem causado a crescente utilização das juntas adesivas, em detrimento dos métodos tradicionais de ligação tais como a soldadura, brasagem, ligações aparafusadas e rebitadas. A utilização das juntas adesivas tem vindo a aumentar em diversas aplicações industriais por estas apresentarem vantagens das quais se destacam a redução de peso, redução de concentrações de tensões e facilidade de fabrico. No entanto, também apresentam desvantagens, como a necessidade de preparação das juntas e o descentramento da carga aplicada que provoca efeitos de flexão, os quais dão origem a tensões normais na direcção da espessura do adesivo (tensões de arrancamento), afectando assim a resistência da junta. A combinação da ligação adesiva com a soldadura por pontos permite algumas vantagens em comparação com as juntas adesivas tradicionais como a maior resistência, aumento da rigidez, melhor resistência ao corte e arrancamento e também à fadiga. Neste trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico de juntas de sobreposição simples adesivas e híbridas (adesivas-soldadas). Os adesivos utilizados são o Araldite AV138®, apresentado como sendo frágil, e os adesivos Araldite 2015® e Sikaforce® 7752, intitulados como adesivos dúcteis. Foram considerados substratos de aço (C45E) em juntas com diferentes comprimentos de sobreposição ( ), que foram sujeitas a esforços de tracção. Foi realizada uma análise dos valores experimentais e efectuada uma comparação destes valores com os resultados obtidos por Elementos Finitos (EF) no software ABAQUS®, que incluiu uma análise de tensões na camada de adesivo e previsão do comportamento das juntas por Modelos de Dano Coesivo (MDC). A análise por MDC permitiu obter os modos de rotura, as curvas força-deslocamento e a resistência das juntas com bastante precisão, com excepção das juntas coladas com o adesivo Sikaforce® 7752. Estes resultados permitiram validar a técnica de modelação proposta para as juntas coladas e híbridas, o que representa uma base para posterior aplicação desta técnica em projecto, com as vantagens decorrentes da redução do tempo de projecto e maior facilidade de optimização.