Optimization study of hybrid spot-welded/bonded single-lap joints

Joining of components with structural adhesives is currently one of the most widespread techniques for advanced structures (e.g., aerospace or aeronautical). Adhesive bonding does not involve drilling operations and it distributes the load over a larger area than mechanical joints. However, peak stresses tend to develop near the overlap edges because of differential straining of the adherends and load asymmetry. As a result, premature failures can be expected, especially for brittle adhesives. Moreover, bonded joints are very sensitive to the surface treatment of the material, service temperature, humidity and ageing. To surpass these limitations, the combination of adhesive bonding with spot-welding is a choice to be considered, adding a few advantages like superior static strength and stiffness, higher peeling and fatigue strength and easier fabrication, as fixtures during the adhesive curing are not needed. The experimental and numerical study presented here evaluates hybrid spot-welded/bonded single-lap joints in comparison with the purely spot-welded and bonded equivalents. A parametric study on the overlap length (LO) allowed achieving different strength advantages, up to 58% compared to spot-welded joints and 24% over bonded joints. The Finite Element Method (FEM) and Cohesive Zone Models (CZM) for damage growth were also tested in Abaqus® to evaluate this technique for strength prediction, showing accurate estimations for all kinds of joints.

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.

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.

Strength improvement of adhesively-bonded joints using a reverse-bent geometry

Adhesive bonding of components has become more efficient in recent years due to the developments in adhesive technology, which has resulted in higher peel and shear strengths, and also in allowable ductility up to failure. As a result, fastening and riveting methods are being progressively replaced by adhesive bonding, allowing a big step towards stronger and lighter unions. However, single-lap bonded joints still generate substantial peel and shear stress concentrations at the overlap edges that can be harmful to the structure, especially when using brittle adhesives that do not allow plasticization in these regions. In this work, a numerical and experimental study is performed to evaluate the feasibility of bending the adherends at the ends of the overlap for the strength improvement of single-lap aluminium joints bonded with a brittle and a ductile adhesive. Different combinations of joint eccentricity were tested, including absence of eccentricity, allowing the optimization of the joint. A Finite Element stress and failure analysis in ABAQUS® was also carried out to provide a better understanding of the bent configuration. Results showed a major advantage of using the proposed modification for the brittle adhesive, but the joints with the ductile adhesive were not much affected by the bending technique.

Single-lap joints of similar and dissimilar adherends bonded with an acrylic adhesive

In this study, the tensile strength of single-lap joints (SLJs) between similar and dissimilar adherends bonded with an acrylic adhesive was evaluated experimentally and numerically. The adherend materials included polyethylene (PE), polypropylene (PP), carbon-epoxy (CFRP), and glass-polyester (GFRP) composites. The following adherend combinations were tested: PE/PE, PE/PP, PE/CFRP, PE/GFRP, PP/PP, CFRP/CFRP, and GFRP/GFRP. One of the objectives of this work was to assess the influence of the adherends stiffness on the strength of the joints since it significantly affects the peel stresses magnitude in the adhesive layer. The experimental results were also used to validate a new mixed-mode cohesive damage model developed to simulate the adhesive layer. Thus, the experimental results were compared with numerical simulations performed in ABAQUS®, including a developed mixed-mode (I+II) cohesive damage model, based on the indirect use of fracture mechanics and implemented within interface finite elements. The cohesive laws present a trapezoidal shape with an increasing stress plateau, to reproduce the behaviour of the ductile adhesive used. A good agreement was found between the experimental and numerical results.

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.

Avaliação do desempenho de ligações tubulares em estruturas de veículos pesados de passageiros por simulação numérica

Nesta Dissertação ir-se-á avaliar o desempenho de algumas ligações existentes nos veículos pesados de passageiros, através do Regulamento Eurocódigo 3. Nos últimos anos ocorreram diversos acidentes envolvendo este tipos de veículos, em que os mesmos causaram vítimas mortais e feridos graves. Serão testadas por simulação numérica algumas ligações pertencentes a elementos constituintes da superestrutura, em que esta é normalmente afectada com a ocorrência de acidentes. Assim sendo, o estudo de nós de ligação tem uma importância fulcral para que uma superestrutura suporte situações extremas e que resista a solicitações externas aplicadas. Iniciou-se esta Dissertação com o estudo da sinistralidade e de acidentes que envolvem veículos pesados de passageiros. No capítulo 2 abordou-se um programa que promove simulações numéricas de acidentes e estudo do comportamento dos passageiros em caso de acidente, sendo referido o Regulamento que homologa os veículos pesados de passageiros e os seus principais métodos. Abordaram-se os principais constituintes da estrutura de um veículo pesado de passageiros. No capítulo 3, é referido o Eurocódigo 3 em termos do estudo das ligações tubulares usadas neste tipo de veículos. No capítulo 4, fez-se o estudo e selecção de elementos a utilizar para a simulação numérica de casos preconizados pelo Eurocódigo 3 e estudaram-se três tipos de ligações que são usadas na construção da superestrutura deste tipo de veículos, tendo-se retirado conclusões deste estudo.

Estudo e otimização de juntas do tipo Tpeel soldadas, adesivas e híbridas

A necessidade de utilizar métodos de ligação que melhor satisfaçam as necessidades de projeto tem causado a crescente utilização das juntas adesivas, em detrimento dos métodos tradicionais tais como a soldadura, ligações aparafusadas e rebitadas. A sua utilização em diversas aplicações industriais justifica-se pela redução de peso, redução de concentrações de tensões, isolamento acústico e melhor resistência à corrosão. Contudo, também apresentam desvantagens, como a necessidade de preparação das juntas, a fraca resistência a esforços de arrancamento e a complexidade da previsão da sua resistência. As juntas híbridas são obtidas por combinação de uma técnica tradicional com uma ligação adesiva. As juntas híbridas adesivas-soldadas obtêm-se através da combinação da ligação adesiva com a ligação soldada, sendo a soldadura de resistência por pontos a técnica de soldadura mais usada no fabrico deste tipo de juntas. A sinergia entre ligação adesiva e soldadura por pontos oferece vantagens competitivas em relação às ligações adesivas, tais como superior resistência e rigidez, e maior resistência ao arrancamento e à fadiga. No presente trabalho é apresentado um estudo experimental e numérico de juntas T-peel soldadas, adesivas e híbridas (adesivas-soldadas) solicitadas ao arrancamento. Considerouse o adesivo frágil Araldite® AV138 e os adesivos dúcteis Araldite® 2015 e Sikaforce® 7752 e aderentes de aço (C45E). Foi realizada uma análise dos valores experimentais e efetuada uma comparação destes valores com os resultados obtidos pelo Método de Elementos Finitos (MEF) no software ABAQUS®, que incluiu uma análise de tensões na camada de adesivo e previsão do comportamento das juntas por MDC. Observou-se que, dos três adesivos em estudo, o adesivo Sikaforce® 7752 é o que apresenta o melhor desempenho na ligação de juntas T-peel. A boa concordância entre os resultados experimentais e numéricos permitiu validar a utilização de MDC para previsão da resistência de juntas T-peel adesivas e híbridas. Assim, o presente trabalho representa uma base para posterior aplicação no projeto deste tipo de ligação, com as vantagens decorrentes na redução do tempo de projeto e maior facilidade de otimização.

Criação de programa informático em ambiente Matlab® para estudo de estruturas planas pelo Método de Elementos Finitos.

Os modelos a ser analisados pelo Método de Elementos Finitos são cada vez mais complexos e, nos tempos que correm, seria impensável realizar tais análises sem um apoio computorizado. Existe para esta finalidade uma vasta gama de programas que permitem realizar tarefas que passam pelo desenho de estruturas, análise estática de cargas, análise dinâmica e vibrações, visualização do comportamento físico (deformações) em tempo real, que permitem a otimização da estrutura. Sob o pretexto de permitir a qualquer utilizador uma análise de estruturas simples com o Método dos Elementos Finitos, surge esta tese, onde se irá criar de raiz um programa com interface gráfica no ambiente MATLAB® para análise de estruturas simples com dois tipos de elemento finito, triangular de deformação constante e quadrangular de deformação linear. O software desenvolvido, verificado por comparação com um software comercial dedicado para o efeito, efetua malhagem com elementos bidimensionais triangulares e quadriláteros e resolve modelos arbitrados pelo Método de Elementos Finitos, representando estes resultados visualmente e em formato tabular.

Validação numérica de leis coesivas triangulares para previsão de resistência de juntas adesivas em tração e corte puros

As ligações adesivas surgiram pela necessidade de se encontrar formas de unir componentes, por vezes de materiais distintos, através de técnicas mais vantajosas. Atualmente, qualquer estrutura deve ser resistente, robusta e leve, o que amplificou o interesse industrial e investigação nas ligações adesivas, principalmente na melhoria das propriedades de resistência e fratura de materiais. Desta forma, nos últimos anos, a utilização de juntas adesivas em aplicações industriais tem aumentando gradualmente, substituindo alguns métodos de ligação tradicionais, por apresentarem vantagens, tais como redução de concentração de tensões, reduzido peso e facilidade de processamento/fabrico. 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, os Modelos de Dano Coesivo (MDC) são uma ferramenta fundamental, apesar de ser necessário estimar as leis coesivas do adesivo à tração e corte para entrada nos modelos numéricos. Nesta dissertação o trabalho experimental consistiu no tratamento de dados com vista à obtenção de GIc e GIIc, com a devida comparação de diferentes métodos de redução, bem como potencialidades e limitações dos mesmos. É realizada uma comparação dos três adesivos: Araldite® AV138, Araldite® 2015 e SikaForce® 7752. Neste trabalho estudou-se também numericamente a adequação de leis coesivas triangulares na previsão no comportamento de juntas adesivas, nomeadamente nas curvas forçadeslocamento (P-) de ensaios Double-Cantilever Beam para caracterização à tração e ensaios End-Notched Flexure para caraterização ao corte. Os ensaios foram simulados numericamente pelo software ABAQUS®, recorrendo ao Método de Elementos Finitos (MEF) e um MDC triangular, com o intuito de estimar a lei coesiva de cada um dos adesivos. Para os adesivos Araldite®AV138 e Araldite®2015, à tração e ao corte, a lei triangular previu o comportamento do adesivo com alguma razoabilidade. Para a previsão da resistência do adesivo SikaForce® 7752, a lei triangular não se ajustou convenientemente nem à tração nem ao corte. Considera-se que, para este adesivo, uma lei trapezoidal é a que melhor se adequa, devido à ductilidade do mesmo.