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.

Adhesively-bonded repair proposal for wood members damaged by horizontal shear using carbon-epoxy patches

In this work, a repair technique with adhesively bonded carbon-epoxy patches is proposed for wood members damaged by horizontal shear and under bending loads. This damage is characterized by horizontal crack growth near the neutral plane of the wood beam, normally originating from checks and shakes. The repair consists of adhesively bonded carbon-epoxy patches on the vertical side faces of the beam at the cracked region to block sliding between the beam arms. An experimental and numerical parametric analysis was performed on the patch length. The numerical analysis used the finite element method (FEM) and cohesive zone models (CZMs), with an inverse modelling technique for the characterization of the adhesive layer. Trapezoidal cohesive laws in each pure mode were used to account for the ductility of the adhesive used. To fully reproduce the tests, horizontal damage propagation within the wood beam was also simulated. A good correlation with the experiments was found. Regarding the effectiveness of the repair, for the conditions selected for this work, a full strength recovery was achieved for the bigger value of patch length tested.

Shear modulus and strength of an acrylic adhesive by the notched plate shear method (Arcan) and the thick adherend shear test (TAST)

In this work, the shear modulus and strength of the acrylic adhesive 3M® DP 8005 was evaluated by two different methods: the Thick Adherend Shear Test (TAST) and the Notched Plate Shear Method (Arcan). However, TAST standards advise the use of a special extensometer attached to the specimen, which requires a very experienced technician. In the present study, the adhesive shear displacement for the TAST was measured using an optical technique, and also with a conventional inductive extensometer of 25 mm used for tensile tests. This allowed for an assessment of suitability of using a conventional extensometer to measure this parameter. Since the results obtained by the two techniques are identical, it can be concluded that using a conventional extensometer is a valid option to obtain the shear modulus for the particular adhesive used. In the Arcan tests, the adhesive shear displacement was only measured using the optical technique. This work also aimed the comparison of shear modulus and strength obtained by the TAST and Arcan test methods.

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.

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.

Numerical and Experimental Analysis of Balanced and Unbalanced Adhesive Single-Lap Joints between Aluminium Adherends

The single-lap joint is the most commonly used, 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 is widely documented in the literature to reduce this handicap, acting by reduction of peel and shear peak stresses or alterations of the failure mechanism emerging from local modifications. In this work, the effect of using different thickness adherends on the tensile strength of single-lap joints, bonded with a ductile and brittle adhesive, was numerically and experimentally evaluated. The joints were tested under tension for different combinations of adherend thickness. The effect of the adherends thickness mismatch on the stress distributions was also investigated by Finite Elements (FE), which explained the experimental results and the strength prediction of the joints. The numerical study was made by FE and Cohesive Zone Modelling (CZM), which allowed characterizing the entire fracture process. For this purpose, a FE analysis was performed in ABAQUS® considering geometric non-linearities. In the end, a detailed comparative evaluation of unbalanced joints, commonly used in engineering applications, is presented to give an understanding on how modifications in the bonded structures thickness can influence the joint performance.

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.

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

Mestrado em Engenharia Mecânica

Estudo comparativo da resistência à tração de juntas adesivas de sobreposição simples e dupla

O método de união com ligações adesivas está cada vez mais a ser utilizado na conceção de estruturas mecânicas, por causa das vantagens significativas desta técnica em comparação com as ligações tradicionais. De facto, as juntas com ligação adesiva estão sob investigação intensa há bastante tempo. Entre as vantagens, destaca-se a redução de peso e possibilidade de unir diferentes materiais, incluindo compósitos, sem danificar as estruturas a ligar. Os adesivos comerciais variam desde resistentes e frágeis (por exemplo, Araldite® AV138) a menos resistentes e dúcteis (por exemplo, Araldite® 2015). Uma nova família de adesivos de poliuretano combina elevada resistência e ductilidade (por exemplo, Sikaforce® 7888). Este trabalho compara o desempenho à tração dos três adesivos supracitados, em juntas de alumínio (Al6082-T651) de sobreposição simples e dupla, com variação dos valores de comprimento de sobreposição (LO). A análise numérica de modelos de dano coesivo (MDC) foi realizada para analisar as tensões de arrancamento (oy) e as de corte (txy) na camada adesiva, para estudar a variável de dano do MDC durante o processo de rotura e para avaliar a capacidade MDC na previsão da resistência da junta. A análise da resistência e da variável de dano ajudou na compreensão das diferenças entre os adesivos no que se refere ao processo de rotura e resistência da junta. Observou-se que as juntas de sobreposição dupla apresentam uma distribuição de tensões bastante mais favorável relativamente às juntas de sobreposição simples, principalmente devido à eliminação da flexão do substrato interior. Como resultado, a resistência destas juntas foi tipicamente superior ao dobro da observada para as juntas de sobreposição simples, com exceção de algumas configurações de junta em que houve plastificação extensa ou mesmo rotura dos substratos por tração. O trabalho proposto permitiu também concluir que as previsões MDC são tipicamente precisas, e qual a família de adesivos é mais adequada para cada configuração de junta, com a clara vantagem para o Sikaforce® 7888. Como resultado deste trabalho, foram propostas diretrizes de conceção para juntas adesivas.

Determinação da tenacidade à fratura de adesivos estruturais em modo misto pelo ensaio Single-Leg Bending

A utilização de juntas adesivas em aplicações industriais tem vindo a aumentar, em detrimento dos métodos tradicionais tais como a soldadura, brasagem e ligações aparafusadas e rebitadas. Este facto deve-se às vantagens que estas oferecem, como o facto de serem mais leves, comportarem-se bem sob cargas cíclicas ou de fadiga, a ligação de materiais diferentes e menores concentrações de tensões. Para aumentar a confiança no projeto de estruturas adesivas, é importante conseguir prever com precisão a sua resistência mecânica e respetivas propriedades de fratura (taxa crítica de libertação de energia de deformação à tração, GIC, e corte, GIIC). Estas propriedades estão diretamente relacionadas com a Mecânica da Fratura e são estimadas através de uma análise energética. Para este efeito, distinguem-se três tipos de modelos: modelos que necessitam da medição do comprimento de fenda durante a propagação do dano, modelos que utilizam um comprimento de fenda equivalente e métodos baseados no integral J. Como na maioria dos casos as solicitações ocorrem em modo misto (combinação de tração com corte), é de grande importância a perceção da fratura nesta condições, nomeadamente das taxas de libertação de energia relativamente a diferentes critérios ou envelopes de fratura. Esta comparação permite, por exemplo, averiguar qual o melhor critério energético de rotura a utilizar em modelos numéricos baseados em Modelos de Dano Coesivo. Neste trabalho é realizado um estudo experimental utilizando o ensaio Single-Leg Bending (SLB) em provetes colados com três tipos de adesivos, de forma a estudar e comparar as suas propriedades de fratura. Para tal, são aplicados alguns modelos de redução da taxa de libertação de energia de deformação à tração, GI, e corte, GII, enquadrados nos modelos que necessitam da medição do comprimento de fenda e nos modelos que utilizam um comprimento de fenda equivalente. Numa fase posterior, procedeu-se à análise e comparação dos resultados adquiridos durante a fase experimental de GI e GII de cada adesivo. A discussão de resultados foi também feita através da análise dos valores obtidos em diversos envelopes de fratura, no sentido de averiguar qual o critério de rotura mais adequado a considerar para cada adesivo. Foi obtida uma concordância bastante boa entre métodos de determinação de GI e GII, com exceção do adesivo mais dúctil, para o qual o método baseado no comprimento de fenda equivalente apresentou resultados ligeiramente superiores.

Cohesive law estimation of adhesive joints in mode II condition

The adhesive bonding technique enables both weight and complexity reduction in structures that require some joining technique to be used on account of fabrication/component shape issues. Because of this, adhesive bonding is also one of the main repair methods for metal and composite structures by the strap and scarf configurations. The availability of strength prediction techniques for adhesive joints is essential for their generalized application and it can rely on different approaches, such as mechanics of materials, conventional fracture mechanics or damage mechanics. These two last techniques depend on the measurement of the fracture toughness (GC) of materials. Within the framework of damage mechanics, a valid option is the use of Cohesive Zone Modelling (CZM) coupled with Finite Element (FE) analyses. In this work, CZM laws for adhesive joints considering three adhesives with varying ductility were estimated. The End-Notched Flexure (ENF) test geometry was selected based on overall test simplicity and results accuracy. The adhesives Araldite® AV138, Araldite® 2015 and Sikaforce® 7752 were studied between high-strength aluminium adherends. Estimation of the CZM laws was carried out by an inverse methodology based on a curve fitting procedure, which enabled a precise estimation of the adhesive joints’ behaviour. The work allowed to conclude that a unique set of shear fracture toughness (GIIC) and shear cohesive strength (ts0) exists for each specimen that accurately reproduces the adhesive layer’ behaviour. With this information, the accurate strength prediction of adhesive joints in shear is made possible by CZM.

Using neural networks and support vector regression to relate marchetti dilatometer test parameters and maximum shear modulus

In the last two decades, small strain shear modulus became one of the most important geotechnical parameters to characterize soil stiffness. Finite element analysis have shown that in-situ stiffness of soils and rocks is much higher than what was previously thought and that stress-strain behaviour of these materials is non-linear in most cases with small strain levels, especially in the ground around retaining walls, foundations and tunnels, typically in the order of 10−2 to 10−4 of strain. Although the best approach to estimate shear modulus seems to be based in measuring seismic wave velocities, deriving the parameter through correlations with in-situ tests is usually considered very useful for design practice.The use of Neural Networks for modeling systems has been widespread, in particular within areas where the great amount of available data and the complexity of the systems keeps the problem very unfriendly to treat following traditional data analysis methodologies. In this work, the use of Neural Networks and Support Vector Regression is proposed to estimate small strain shear modulus for sedimentary soils from the basic or intermediate parameters derived from Marchetti Dilatometer Test. The results are discussed and compared with some of the most common available methodologies for this evaluation.

Using neural networks and support vector regression to relate marchetti dilatometer test parameters and maximum shear modulus

In the last two decades, small strain shear modulus became one of the most important geotechnical parameters to characterize soil stiffness. Finite element analysis have shown that in-situ stiffness of soils and rocks is much higher than what was previously thought and that stress-strain behaviour of these materials is non-linear in most cases with small strain levels, especially in the ground around retaining walls, foundations and tunnels, typically in the order of 10−2 to 10−4 of strain. Although the best approach to estimate shear modulus seems to be based in measuring seismic wave velocities, deriving the parameter through correlations with in-situ tests is usually considered very useful for design practice.The use of Neural Networks for modeling systems has been widespread, in particular within areas where the great amount of available data and the complexity of the systems keeps the problem very unfriendly to treat following traditional data analysis methodologies. In this work, the use of Neural Networks and Support Vector Regression is proposed to estimate small strain shear modulus for sedimentary soils from the basic or intermediate parameters derived from Marchetti Dilatometer Test. The results are discussed and compared with some of the most common available methodologies for this evaluation.

Estudo numérico da adequação de diferentes tipos de leis coesivas na previsão da resistência de juntas adesivas por Modelos de Dano Coesivo

O uso de ligações adesivas aumentou significativamente nos últimos anos e é hoje em dia uma técnica de ligação dominante na indústria aeronáutica e automóvel. As ligações adesivas visam substituir os métodos tradicionais de fixação mecânicos na união de estruturas. A melhoria ao longo dos anos de vários modelos de previsão de dano, nomeadamente através do Método de Elementos Finitos (MEF), tem ajudado ao desenvolvimento desta técnica de ligação. Os Modelos de Dano coesivo (MDC), usados em conjunto com MEF, são uma ferramenta viável para a previsão de resistência de juntas adesivas. Os MDC combinam critérios da resistência dos materiais para a iniciação do dano e conceitos da mecânica da fratura para a propagação da fenda. Existem diversas formas de leis coesivas possíveis de aplicar em simulações por MDC, em função do comportamento expectável dos materiais que estão a ser simulados. Neste trabalho, estudou-se numericamente o efeito de diversas formas de leis coesivas 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. Também se estudou a influência dos parâmetros coesivos à tração e corte nas curvas P- dos referidos ensaios. Para o Araldite®AV138 à tração e ao corte, a lei triangular é a que melhor prevê o comportamento do adesivo. Para a previsão da resistência de ambos os adesivos Araldite® 2015 e SikaForce® 7752, a lei trapezoidal é a que melhor se adequa, confirmando assim que esta lei é a que melhor caracteriza o comportamento de dano de adesivos tipicamente dúcteis. O estudo dos parâmetros revelou influência distinta na previsão do comportamento das juntas, embora com bastantes semelhanças entre os diferentes tipos de adesivos.

Comparação dos métodos ENF e 4-ENF para determinação da tenacidade ao corte de juntas adesivas

Ao longo destes últimos anos as ligações adesivas têm vindo a verificar um aumento progressivo em aplicações estruturais em detrimento das ligações mecânicas convencionais. Esta alteração de paradigma deve-se às vantagens que as juntas adesivas possuem relativamente aos outros métodos de ligação. A mecânica da fratura e os Modelos de Dano Coesivo (MDC) são critérios comuns para prever a resistência em juntas adesivas e usam como parâmetros fundamentais as taxas de libertação de energia. Pelo facto do ensaio 4-Point End Notched Flexure (4-ENF), aplicado em juntas adesivas, ainda estar pouco estudado é de grande relevância um estudo acerca da sua viabilidade para a determinação da taxa crítica de libertação de energia de deformação ao corte (GIIc). Esta dissertação tem como objetivo principal efetuar uma comparação entre os métodos End- Notched Flexure (ENF) e 4-ENF na determinação de GIIc em juntas adesivas. Para tal foram utilizados 3 adesivos: Araldite® AV138, Araldite® 2015 e SikaForce® 7752. O trabalho experimental passou pela conceção e fabrico de uma ferramenta para realização do ensaio 4-ENF, seguindo-se o fabrico e a preparação dos provetes para os ensaios. Pelo facto do ensaio 4-ENF ainda se encontrar pouco divulgado em juntas adesivas, e não se encontrar normalizado, uma parte importante do trabalho passou pela pesquisa e análise em trabalhos de investigação e artigos científicos. A análise dos resultados foi realizada por comparação direta dos valores de GIIc com os resultados obtidos no ensaio ENF, sendo realizada por série de adesivo, através da comparação das curvas P-δ e curvas-R. Como resultado verificou-se que o ensaio 4-ENF em ligações adesivas não é o mais versátil para a determinação do valor de GIIc, e que apenas um método de obtenção de GIIc é viável. Este método é baseado na medição do comprimento de fenda (a). Ficou evidenciado que o ensaio ENF, devido a ser um ensaio normalizado, por apresentar um setup mais simples e por apresentar uma maior disponibilidade de métodos para a determinação do valor de GIIc, é o mais recomendado. Conclui-se assim que o ensaio 4-ENF, embora sendo uma alternativa ao ensaio ENF, tem aplicação mais limitada.