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 prediction of delamination onset in carbon/epoxy composites drilling

Despite the fact that their physical properties make them an attractive family of materials, composites machining can cause several damage modes such as delamination, fibre pull-out, thermal degradation, and others. Minimization of axial thrust force during drilling reduces the probability of delamination onset, as it has been demonstrated by analytical models based on linear elastic fracture mechanics (LEFM). A finite element model considering solid elements of the ABAQUS® software library and interface elements including a cohesive damage model was developed in order to simulate thrust forces and delamination onset during drilling. Thrust force results for delamination onset are compared with existing analytical models.

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.

Strength prediction and experimental validation of adhesive joints including polyethylene, carbon-epoxy and aluminium adherends

Polyolefins are especially difficult to bond due to their non-polar, non-porous and chemically inert surfaces. Acrylic adhesives used in industry are particularly suited to bond these materials, including many grades of polypropylene (PP) and polyethylene (PE), without special surface preparation. In this work, the tensile strength of single-lap PE and mixed joints bonded with an acrylic adhesive was investigated. The mixed joints included PE with aluminium (AL) or carbon fibre reinforced plastic (CFRP) substrates. The PE substrates were only cleaned with isopropanol, which assured cohesive failures. For the PE CFRP joints, three different surfaces preparations were employed for the CFRP substrates: cleaning with acetone, abrasion with 100 grit sand paper and peel-ply finishing. In the PE AL joints, the AL bonding surfaces were prepared by the following methods: cleaning with acetone, abrasion with 180 and 320 grit sand papers, grit blasting and chemical etching with chromic acid. After abrasion of the CFRP and AL substrates, the surfaces were always cleaned with acetone. The tensile strengths were compared with numerical results from ABAQUS® and a mixed mode (I+II) cohesive damage model. A good agreement was found between the experimental and numerical results, except for the PE AL joints, since the AL surface treatments were not found to be effective.

Interlaminar fracture characterization of a carbon-epoxy composite in pure mode II

The interlaminar fracture toughness in pure mode II (GIIc) of a Carbon-Fibre Reinforced Plastic (CFRP) composite is characterized experimentally and numerically in this work, using the End-Notched Flexure (ENF) fracture characterization test. The value of GIIc was extracted by a new data reduction scheme avoiding the crack length measurement, named Compliance-Based Beam Method (CBBM). This method eliminates the crack measurement errors, which can be non-negligible, and reflect on the accuracy of the fracture energy calculations. Moreover, it accounts for the Fracture Process Zone (FPZ) effects. A numerical study using the Finite Element Method (FEM) and a triangular cohesive damage model, implemented within interface finite elements and based on the indirect use of Fracture Mechanics, was performed to evaluate the suitability of the CBBM to obtain GIIc. This was performed comparing the input values of GIIc in the numerical models with the ones resulting from the application of the CBBM to the numerical load-displacement (P-) curve. In this numerical study, the Compliance Calibration Method (CCM) was also used to extract GIIc, for comparison purposes.

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.

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.

The influence of the boundary conditions on low-velocity impact composite damage

The objective of this work was to study the influence of the boundary conditions on low-velocity impact behaviour of carbon-epoxy composite plates. Experimental work and numerical analysis were performed on [04,904]s laminates. The influence of different boundary conditions on the impacted plates was analysed considering rectangular and square plates. The X-radiography was used as a non-destructive technique to evaluate the internal damage caused by impact loading. A three-dimensional numerical analysis was also performed considering progressive damage modelling. The model includes three-dimensional solid elements and interface finite elements including a cohesive mixed-mode damage model, which allows simulating delamination between different oriented layers. It was verified that plate’s boundary conditions have influence on the delaminated area. Good agreement between experimental and numerical analysis for shape, orientation and size of the delamination was obtained.

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.

Numerical and experimental study of tensile strength of single and double-strap repairs

Adhesive bonding as a joining or repair method has a wide application in many industries. Repairs with bonded patches are often carried out to re-establish the stiffness at critical regions or spots of corrosion and/or fatigue cracks. Single and double-strap repairs (SS and DS, respectively) are a viable option for repairing. For the SS repairs, a patch is adhesively-bonded on one of the structure faces. SS repairs are easy to execute, but the load eccentricity leads to peel peak stresses at the overlap edges. DS repairs involve the use of two patches, one on each face of the structure. These are more efficient than SS repairs, due to the doubling of the bonding area and suppression of the transverse deflection of the adherends. Shear stresses also become more uniform as a result of smaller differential straining. The experimental and Finite Element (FE) study presented here for strength prediction and design optimization of bonded repairs includes SS and DS solutions with different values of overlap length (LO). The examined values of LO include 10, 20 and 30 mm. The failure strengths of the SS and DS repairs were compared with FE results by using the Abaqus® FE software. A Cohesive Zone Model (CZM) with a triangular shape in pure tensile and shear modes, including the mixed-mode possibility for crack growth, was used to simulate fracture of the adhesive layer. A good agreement was found between the experiments and the FE simulations on the failure modes, elastic stiffness and strength of the repairs, showing the effectiveness and applicability of the proposed FE technique in predicting strength of bonded repairs. Furthermore, some optimization principles were proposed to repair structures with adhesively-bonded patches that will allow repair designers to effectively design bonded repairs.

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.

Ligação Adesiva de Polímeros Particularmente Difíceis de Colar

As ligações adesivas têm sido cada vez mais utilizadas nos últimos anos em detrimento de outros métodos tais como a soldadura, ligações aparafusadas e ligações rebitadas. Os plásticos de Engenharia têm um papel cada vez mais preponderante na indústria, devido às suas excelentes propriedades. Neste trabalho foram considerados três polímeros diferentes, o Policloreto de Vinilo (PVC) e o Polipropileno (PP) dado o seu baixo custo e peso e a superfície quimicamente inerte e o Politetrafluoretileno (PTFE) devido às suas boas propriedades químicas e excelentes propriedades de deslizamento. No entanto, estes materiais possuem uma baixa energia de superfície e, por isso, são muito difíceis de colar com mais relevância para o PTFE. Assim, após um estudo preliminar foi escolhido, para realizar as colagens necessárias, um adesivo da Tamarron Technology “Tam Tech Adhesive”, próprio para este tipo de substratos difíceis de colar. Posteriormente foi efetuada a sua caraterização através de ensaios de provetes maciços à tração. O principal objetivo deste trabalho foi estudar juntas de sobreposição simples de materiais poliméricos difíceis de colar tais como o PTFE, PP e PVC com recurso a um adesivo que não necessitasse de preparação de superfície. Foram fabricadas juntas de sobreposição simples (JSS) segundo os métodos Lap Shear (LS) e Block Shear (BS) dos três materiais referidos anteriormente e realizados os respetivos ensaios para avaliar o comportamento mecânico das ligações adesivas. Os materiais utilizados como substratos foram também submetidos a ensaios de tração com a finalidade de obter o módulo de elasticidade e as suas propriedades de resistência. Os substratos envolvidos nas juntas adesivas não sofreram qualquer preparação especial das superfícies. Na maioria dos casos consistiu apenas numa limpeza das superfícies com álcool etílico. Contudo, para o PTFE também se experimentou a preparação por abrasão com lixa e por chama. Foi também efetuado um trabalho de simulação numérica por elementos finitos utilizando um modelo de dano coesivo triangular. As resistências ao corte obtidas são superiores em BS comparativamente a LS, exceção feita aos substratos de PTFE aonde os resultados são similares. O tratamento por chama melhorou a resistência mecânica das juntas. Verificou-se também que o modelo numérico simulou adequadamente o comportamento das juntas principalmente das LS.

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.

Tensile fracture characterization of adhesive joints by standard and optical techniques

The use of adhesive joints has increased in recent decades due to its competitive features compared with traditional methods. This work aims to estimate the tensile critical strain energy release rate (GIC) of adhesive joints by the Double-Cantilever Beam (DCB) test. The J-integral is used since it enables obtaining the tensile Cohesive Zone Model (CZM) law. An optical measuring method was developed for assessing the crack tip opening (δn) and adherends rotation (θo). The proposed CZM laws were best approximated by a triangular shape for the brittle adhesive and a trapezoidal shape for the two ductile adhesives.

Comparação de técnicas analíticas e numéricas para previsão de resistência de juntas adesivas de sobreposição simples

As juntas adesivas têm vindo a ser usadas em diversas áreas e contam com inúmeras aplicações práticas. Devido ao fácil e rápido fabrico, as juntas de sobreposição simples (JSS) são um tipo de configuração bastante comum. O aumento da resistência, a redução de peso e a resistência à corrosão são algumas das vantagens que este tipo de junta oferece relativamente aos processos de ligação tradicionais. Contudo, a concentração de tensões nas extremidades do comprimento da ligação é uma das principais desvantagens. Existem poucas técnicas de dimensionamento precisas para a diversidade de ligações que podem ser encontradas em situações reais, o que constitui um obstáculo à utilização de juntas adesivas em aplicações estruturais. O presente trabalho visa comparar diferentes métodos analíticos e numéricos na previsão da resistência de JSS com diferentes comprimentos de sobreposição (LO). O objectivo fundamental é avaliar qual o melhor método para prever a resistência das JSS. Foram produzidas juntas adesivas entre substratos de alumínio utilizando um adesivo époxido frágil (Araldite® AV138), um adesivo epóxido moderadamente dúctil (Araldite® 2015), e um adesivo poliuretano dúctil (SikaForce® 7888). Consideraram-se diferentes métodos analíticos e dois métodos numéricos: os Modelos de Dano Coesivo (MDC) e o Método de Elementos Finitos Extendido (MEFE), permitindo a análise comparativa. O estudo possibilitou uma percepção crítica das capacidades de cada método consoante as características do adesivo utilizado. Os métodos analíticos funcionam apenas relativamente bem em condições muito específicas. A análise por MDC com lei triangular revelou ser um método bastante preciso, com excepção de adesivos que sejam bastante dúcteis. Por outro lado, a análise por MEFE demonstrou ser uma técnica pouco adequada, especialmente para o crescimento de dano em modo misto.