Strength prediction of single- and double-lap joints by standard and extended finite element modelling

The structural integrity of multi-component structures is usually determined by the strength and durability of their unions. Adhesive bonding is often chosen over welding, riveting and bolting, due to the reduction of stress concentrations, reduced weight penalty and easy manufacturing, amongst other issues. In the past decades, the Finite Element Method (FEM) has been used for the simulation and strength prediction of bonded structures, by strength of materials or fracture mechanics-based criteria. Cohesive-zone models (CZMs) have already proved to be an effective tool in modelling damage growth, surpassing a few limitations of the aforementioned techniques. Despite this fact, they still suffer from the restriction of damage growth only at predefined growth paths. The eXtended Finite Element Method (XFEM) is a recent improvement of the FEM, developed to allow the growth of discontinuities within bulk solids along an arbitrary path, by enriching degrees of freedom with special displacement functions, thus overcoming the main restriction of CZMs. These two techniques were tested to simulate adhesively bonded single- and double-lap joints. The comparative evaluation of the two methods showed their capabilities and/or limitations for this specific purpose.

Effect of hole drilling at the overlap on the strength of single-lap joints

Bonded unions are gaining importance in many fields of manufacturing owing to a significant number of advantages to the traditional fastening, riveting, bolting and welding techniques. Between the available bonding configurations, the single-lap joint is the most commonly used and studied by the scientific community due to its simplicity, although it endures significant bending due to the non-collinear load path, which negatively affects its load bearing capabilities. The use of material or geometric changes in single-lap joints is widely documented in the literature to reduce this handicap, acting by reduction of peel and shear peak stresses at the damage initiation sites in structures or alterations of the failure mechanism emerging from local modifications. In this work, the effect of hole drilling at the overlap on the strength of single-lap joints was analyzed experimentally with two main purposes: (1) to check whether or not the anchorage effect of the adhesive within the holes is more preponderant than the stress concentrations near the holes, arising from the sharp edges, and modification of the joints straining behaviour (strength improvement or reduction, respectively) and (2) picturing a real scenario on which the components to be bonded are modified by some external factor (e.g. retrofitting of decaying/old-fashioned fastened unions). Tests were made with two adhesives (a brittle and a ductile one) varying the adherend thickness and the number, layout and diameter of the holes. Experimental testing showed that the joints strength never increases from the un-modified condition, showing a varying degree of weakening, depending on the selected adhesive and hole drilling configuration.

Agenesia do ligamento cruzado anterior – estudo de caso

A agenesia do ligamento cruzado anterior é uma condição extremamente rara. Dada a importância desta estrutura na função muscular, cinética e cinemática do joelho, especula-se que muitas serão as alterações decorrentes desta patologia . Perante o caso de uma atleta com agenesia do ligamento cruzado anterior, este trabalho pretendeu estudar os possíveis défices resultantes desta condição e, perceber se as alterações encontradas no membro com agenesia constituem uma estratégia de compensação eficaz, para um joelho com ausência do ligamento cruzado anterior. Desta forma , foi realizada uma avaliação da força dos músculos quadricípite e isquiotib iais , num dinamómet ro isocinético, a 60°/s e 180°/s. Fo i também recolhido o sinal electromiográfico do vasto medial, bicípite femural e gastrocnémio medial, durante a realização do salto vertical e horizontal. Os dados foram comparados bilateralmente. Os resultados evidenciaram um défice de força dos extensores do joelho com agenesia do LCA. No entanto, para os isqu iotibiais esse défice não foi evidente. A electromiografia não revelou uma estratégia de compensação consistente. Contudo, os resultados realçaram a importância dos flexores do joelho e plantares na estabilização dinâmica de um joelho com ausência do ligamento cruzado anterior. Concluiu-se que as alterações encontradas não formam uma adaptação eficiente .

Comparação do efeito da técnica de facilitação neuromuscular proprioceptiva com a técnica de músculo energia no alongamento muscular dos isquiotibiais a curto prazo

Introdução: A aplicação das técnicas de Contrair-Relaxar com Contracção do Antagonista (CRCA) e de Músculo Energia (TME) promovem um aumento da flexibilidade muscular, contudo poucos estudos comparam a eficácia de ambas. Apresentam aspectos comuns como a contracção prévia do músculo a alongar sendo esta máxima na CRCA e uma percentagem da máxima na TME. Contudo, alguma evidência sugere que não existe correspondência entre a força produzida e a desejada pelo que este aspecto da TME carece de explicação. Objectivos: Confirmar se a técnica CRCA e a TME são efectivas no alongamento muscular dos isquiotibiais a curto prazo, caso sejam determinar qual a mais efectiva. Pretende-se ainda avaliar se a percepção ao esforço durante a aplicação da TME corresponde à força efectivamente realizada. Métodos: Efectuou-se um estudo experimental com 45 voluntários distribuídos aleatoriamente pelos grupos CRCA, TME e Controlo. Avaliou-se a amplitude articular passiva de extensão do joelho antes e depois de aplicar as técnicas, utilizando um goniómetro. Nos participantes submetidos à TME avaliou-se a percepção ao esforço, solicitando uma contracção submáxima isométrica de 40% medida através do dinamómetro de mão. Resultados: Verificou-se um efeito das técnicas entre as avaliações (Teste ANOVA medidas repetidas factor tempo: p<0,001) e entre os grupos (tempo*grupo: p<0,001). Comparando os grupos dois a dois, verificaram-se diferenças entre o grupo CRCA e o grupo Controlo (Teste Post Hoc Games-Howell: p=0,001) e entre o grupo TME e o grupo Controlo (p=0,009), não existindo diferenças entre os grupos CRCA e TME (p=0,376). Os grupos CRCA e TME obtiveram um ganho de 10,7º e de 11,4º respectivamente, não havendo diferenças significativas entre os ganhos (Teste T-Student Independente: p=0,599). Existiram diferenças significativas entre os 40% CMVI produzida e desejada (Teste Wilcoxon: p=0,018). Conclusão: Ambas foram efectivas no aumento da flexibilidade muscular dos isquiotibiais a curto prazo. Os efeitos foram comparáveis, mas dada a menor complexidade e menor solicitação a TME foi considerada mais eficiente. A percepção ao esforço durante a aplicação da TME não correspondeu ao esforço desejado, existindo uma tendência para a produção de intensidades de contracções maiores.

Testes de resistência, flexibilidade, e ativação/controlo muscular da região lombo pélvica em futebolistas amadores com e sem dor lombar

Introdução: A dor lombar é comum manifestar-se em atletas de futebol, pelo que se torna importante utilizar testes clínicos como forma de detetar alterações que estejam associadas à presença de dor lombar. Objetivo: Identificar a relação entre a presença de dor lombar e os testes de resistência, flexibilidade e ativação/controlo muscular da região lombo pélvica em futebolistas com e sem dor lombar. Métodos: Realizou-se o presente estudo transversal numa amostra de 25 futebolistas amadores, dos quais 8 apresentavam dor lombar. Foi avaliada a resistência e os rácios dos músculos globais do tronco, a flexibilidade dos flexores e extensores da anca bem como a ativação/controlo dos músculos transverso do abdómen e multífidos. Resultados: Os atletas com lombalgia apresentaram uma diminuição significativa do tempo de resistência muscular dos vários grupos musculares do tronco e da flexibilidade muscular comparativamente aos atletas sem lombalgia. Foi também identificado um aumento significativo no rácio flexores/extensores do tronco. Relativamente aos testes de ativação muscular, não foram encontradas associações com a presença de dor lombar. Conclusão: A aplicação de testes de resistência e flexibilidade parece diferenciar os indivíduos com e sem dor lombar, não se tendo verificado o mesmo quanto à ativação do transverso do abdómen e dos multífidos.

Effect of temperature on the shear strength of aluminium single lap bonded joints for high temperature applications

An experimental and numerical investigation into the shear strength behaviour of adhesive single lap joints (SLJs) was carried out in order to understand the effect of temperature on the joint strength. The adherend material used for the experimental tests was an aluminium alloy in the form of thin sheets, and the adhesive used was a high-strength high temperature epoxy. Tensile tests as a function of temperature were performed and numerical predictions based on the use of a bilinear cohesive damage model were obtained. It is shown that at temperatures below Tg, the lap shear strength of SLJs increased, while at temperatures above Tg, a drastic drop in the lap shear strength was observed. Comparison between the experimental and numerical maximum loads representing the strength of the joints shows a reasonably good agreement.

Effect of Adherend Recessing on the Tensile Strength of Single Lap Joints

Bonded joints are gaining importance in many fields of manufacturing owing to a significant number of advantages to the traditional methods. The single lap joint (SLJ) is the most commonly used method. The use of material or geometric changes in SLJ reduces peel and shear peak stresses at the damage initiation sites. In this work, the effect of adherend recessing at the overlap edges on the tensile strength of SLJ, bonded with a brittle adhesive, was experimentally and numerically studied. The recess dimensions (length and depth) were optimized for different values of overlap length (LO), thus allowing the maximization of the joint’s strength by the reduction of peak stresses at the overlap edges. The effect of recessing was also investigated by a finite element (FE) analysis and cohesive zone modelling (CZM), which allowed characterizing the entire fracture process and provided joint strength predictions. For this purpose, a static FE analysis was performed in ABAQUS1 considering geometric nonlinearities. In the end, the experimental and FE results revealed the accuracy of the FE analysis in predicting the strength and also provided some design principles for the strength improvement of SLJ using a relatively simple and straightforward technique.

Predictivity Strength of the Spatial Variability of Phenanthrene Sorption Across Two Sandy Loam Fields

Sorption is commonly agreed to be the major process underlying the transport and fate of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in soils. However, there is still a scarcity of studies focusing on spatial variability at the field scale in particular. In order to investigate the variation in the field of phenanthrene sorption, bulk topsoil samples were taken in a 15 × 15-m grid from the plough layer in two sandy loam fields with different texture and organic carbon (OC) contents (140 samples in total). Batch experiments were performed using the adsorption method. Values for the partition coefficient K d (L kg−1) and the organic carbon partition coefficient K OC (L kg−1) agreed with the most frequently used models for PAH partitioning, as OC revealed a higher affinity for sorption. More complex models using different OC compartments, such as non-complexed organic carbon (NCOC) and complexed organic carbon (COC) separately, performed better than single K OC models, particularly for a subset including samples with Dexter n < 10 and OC <0.04 kg kg−1. The selected threshold revealed that K OC-based models proved to be applicable for more organic fields, while two-component models proved to be more accurate for the prediction of K d and retardation factor (R) for less organic soils. Moreover, OC did not fully reflect the changes in phenanthrene retardation in the field with lower OC content (Faardrup). Bulk density and available water content influenced the phenanthrene transport mechanism phenomenon.

Adhesive selection for single lap bonded joints: Experimentation and advanced techniques for strength prediction

The integrity of multi-component structures is usually determined by their unions. Adhesive-bonding is often used over traditional methods because of the reduction of stress concentrations, reduced weight penalty, and easy manufacturing. Commercial adhesives range from strong and brittle (e.g., Araldite® AV138) to less strong and ductile (e.g., Araldite® 2015). A new family of polyurethane adhesives combines high strength and ductility (e.g., Sikaforce® 7888). In this work, the performance of the three above-mentioned adhesives was tested in single lap joints with varying values of overlap length (LO). The experimental work carried out is accompanied by a detailed numerical analysis by finite elements, either based on cohesive zone models (CZM) or the extended finite element method (XFEM). This procedure enabled detailing the performance of these predictive techniques applied to bonded joints. Moreover, it was possible to evaluate which family of adhesives is more suited for each joint geometry. CZM revealed to be highly accurate, except for largely ductile adhesives, although this could be circumvented with a different cohesive law. XFEM is not the most suited technique for mixed-mode damage growth, but a rough prediction was achieved.

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.

Efeito da compressão isquémica no ponto gatilho latente do trapézio superior, na magnitude de atividade muscular do complexo articular do ombro

Introdução: A síndrome dolorosa miofascial é um dos principais problemas encontrados na prática clínica, tendo como principais características os pontos gatilho (PG), ativos ou latentes. Os PG latentes têm uma elevada prevalência na musculatura da cintura escapular, nomeadamente ao nível do trapézio superior (TS), influenciando o controlo motor do ombro. A compressão isquémica aplicada no PG do TS poderá influenciar o comportamento muscular dos sinergistas durante o movimento de abdução no plano da omoplata. Objetivos: Este estudo visa estudar a influência da compressão isquémica aplicada no PG do TS na magnitude de ativação dos músculos TS, trapézio inferior (TI), grande dentado (GD), infra-espinhoso (IE) e deltóide médio (DM), assim como a relação muscular através da razão entre o TS e os restantes músculos em análise, durante o movimento de abdução no plano da omoplata. Métodos: O presente estudo é experimental, aleatório e controlado. Foram criados dois grupos, grupo controlo (GC) (n=14) e grupo experimental (GE) (n=15), a partir de uma amostra de 67 indivíduos. No GC foi aplicado um procedimento placebo e no GE foi aplicada no PG latente do TS a técnica de compressão isquémica. Antes e após a intervenção foi recolhida a atividade eletromiográfica dos músculos em análise, assim como os dados cinemáticos, durante o movimento de elevação do ombro no plano da omoplata. Para a análise registou-se a amplitude máxima de abdução e foi analisada a atividade muscular individual dos músculos em estudo assim como a razão entre o TS e os restantes músculos. Esta análise foi realizada em intervalos de 30° até ao final do movimento. Resultados: Não se verificaram diferenças na amplitude máxima de abdução, nem entre grupos (1º momento p=0,608, t=0,816; 2º momento p=0,119; t=1,252) nem entre os dois momentos em cada grupo (GC, t=-1,119; p=0,256; GE, t=-1,604, p=0,135). Na magnitude de ativação individual de cada músculo também não se verificaram diferenças significativas com a aplicação da técnica, tendo-se verificado no DM uma tendência para o aumento da ativação aquando da intervenção, ao longo de todo o arco de movimento, em comparação com a pré-intervenção, já no GC de controlo não se verificaram alterações entre momentos. Também na análise da razão entre músculos não se verificaram diferenças entre grupos. Conclusão: A intervenção realizada não influenciou nenhum dos parâmetros em análise do complexo articular do ombro nem a amplitude de movimento de abdução.

Influência da atividade muscular abdominal na velocidade do oi tsuki

Introdução: No karaté a região lombo pélvica é importante, pois permite dar estabilidade e potenciar a força produzida na aplicação de técnicas de karaté. Apesar disso, nenhum estudo estuda a influência da atividade muscular abdominal na velocidade de aplicação de técnicas. Existem diversos estudos sobre o karaté mas nenhum deles foca a importância da atividade muscular abdominal. Objetivo: O objetivo deste estudo é verificar se o timing e a magnitude de ativação dos músculos abdominais influenciam a velocidade aplicada na técnica de karaté oi tsuki. Metodologia: Estudo transversal analítico com 7 praticantes de karaté do sexo masculino com graduação de 3º kyu (1º nível de cinturão castanho) ou superior. Foi avaliado o timing e a magnitude de ativação muscular abdominal com eletromiografia de superfície e a velocidade de movimento com sistema Qualisys, durante a execução do oi tsuki. Para dados estatísticos realizou-se o teste de spearman (nível de significância de 0,05) para testar correlação entre timing e a velocidade e entre magnitude de ativação e a velocidade, recorrendo ao coeficiente de determinação para verificar o grau de correlação. Para verificar diferenças bilaterais entre os timings e a magnitude de ativação dos músculos abdominais realizou-se o teste de Wilcoxon (nível de significância de 0,05). Resultados: Foi observada uma relação estatisticamente significativa (p< 0,05) entre o timing de ativação dos músculos transversos/oblíquos internos abdominais e do oblíquo externo contra lateral com a velocidade média do oi tsuki. Os timings de ativação dos músculos retos abdominais e oblíquo externo ipsilateral não revelaram valores de significância (p> 0,05) que possibilitem afirmar que existe relação entre esses timings e a velocidade média do oi tsuki. Não existem valores estatisticamente significativos (p> 0,05) para afirmar que existe relação entre a magnitude de ativação dos músculos abdominais e a velocidade média do oi tsuki. A velocidade máxima do movimento não foi afetada nem pelos timings de ativação dos músculos do abdómen, nem pelas suas magnitudes de ativação. Apenas o timing entre os músculos Transversos/oblíquos internos contra lateral e ipsilateral revelou diferenças. Conclusão: O tronco evidencia ser importante para a prática do karaté, não só pela melhoria da performance, mas também pela melhoria de estabilidade e consequente técnica. Apresenta uma aparente melhoria na velocidade inicial da técnica, podendo afetar positivamente a performance. Para além da performance, contribui para a segurança das estruturas lombo pélvicas, promovendo um menor risco de lesão.

Strength and damage analysis of composite-aluminium adhesively-bonded single-lap joints

With the need to find an alternative way to mechanical and welding joints, and at the same time to overcome some limitations linked to these traditional techniques, adhesive bonds can be used. Adhesive bonding is a permanent joining process that uses an adhesive to bond the components of a structure. Composite materials reinforced with fibres are becoming increasingly popular in many applications as a result of a number of competitive advantages. In the manufacture of composite structures, although the fabrication techniques reduce to the minimum by means of advanced manufacturing techniques, the use of connections is still required due to the typical size limitations and design, technological and logistical aspects. Moreover, it is known that in many high performance structures, unions between composite materials with other light metals such as aluminium are required, for purposes of structural optimization. This work deals with the experimental and numerical study of single lap joints (SLJ), bonded with a brittle (Nagase Chemtex Denatite XNRH6823) and a ductile adhesive (Nagase Chemtex Denatite XNR6852). These are applied to hybrid joints between aluminium (AL6082-T651) and carbon fibre reinforced plastic (CFRP; Texipreg HS 160 RM) adherends in joints with different overlap lengths (LO) under a tensile loading. The Finite Element (FE) Method is used to perform detailed stress and damage analyses allowing to explain the joints’ behaviour and the use of cohesive zone models (CZM) enables predicting the joint strength and creating a simple and rapid design methodology. The use of numerical methods to simulate the behaviour of the joints can lead to savings of time and resources by optimizing the geometry and material parameters of the joints. The joints’ strength and failure modes were highly dependent on the adhesive, and this behaviour was successfully modelled numerically. Using a brittle adhesive resulted in a negligible maximum load (Pm) improvement with LO. The joints bonded with the ductile adhesive showed a nearly linear improvement of Pm with LO.