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.

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.

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.

Estudi de les propietats elàstiques i de fractura de teixits plans de fibra

L’estudi que es presenta parteix d’un projecte que es va començar a desenvolupar a la universitat de Girona per Silvia Castellano Garriga. El que es pretén fer ara, és modificar alguns punts del projecte antic per millorar i ampliar els coneixement sobre els teixits plans de fibra. Els dos teixits plans que s’ estudien i s’ analitzen en aquest projecte són: la fibra de carboni amb resina de vinilester i la fibra de vidre amb resina epoxi. Per cadascun d’ ells es determinen les propietats elàstiques i les tensions

Modelización constitutiva y computacional del daño y la fractura de materiales compuestos

En el trabajo se definen modelos constitutivos que permiten reproducir el proceso de fallo de estructuras de materiales compuestos en distintas escalas bajo cargas estáticas. Se define un modelo constitutivo para determinar la respuesta de estructuras de materiales compuestos mediante la teoría de laminados. El modelo es validado mediante un programa de ensayos experimentales con probetas con un agujero central geométricamente similares. Se muestra la capacidad del modelo de detectar el efecto tamaño. Se define un modelo constitutivo para materiales transversalmente isótropos bajo estados tridimensionales de tensión. El modelo se valida analizando numéricamente el proceso de agrietamiento de la matriz. Finalmente se desarrolla un modelo analítico para determinar el agrietamiento de la matriz y la delaminación entre las capas.

Toughness, the shearing of self-mated junctions and friction

Since ductile fracture (rupture) is the process by which junctions are separated and which prevents ever-increasing plasticity and junction growth, it is argued that models of friction ought to include toughness as well as yield strength. An expression for the coefficient of sliding friction is derived using ductile fracture mechanics. The predictions are quite reasonable.

Toughness & oblique metalcutting

The implications of whether new surfaces in cutting are formed just by plastic flow past the tool or by some fracturelike separation process involving significant surface work, are discussed. Oblique metalcutting is investigated using the ideas contained in a new algebraic model for the orthogonal machining of metals (Atkins, A. G., 2003, "Modeling Metalcutting Using Modern Ductile Fracture Mechanics: Quantitative Explanations for Some Longstanding Problems," Int. J. Mech. Sci., 45, pp. 373–396) in which significant surface work (ductile fracture toughnesses) is incorporated. The model is able to predict explicit material-dependent primary shear plane angles and provides explanations for a variety of well-known effects in cutting, such as the reduction of at small uncut chip thicknesses; the quasilinear plots of cutting force versus depth of cut; the existence of a positive force intercept in such plots; why, in the size-effect regime of machining, anomalously high values of yield stress are determined; and why finite element method simulations of cutting have to employ a "separation criterion" at the tool tip. Predictions from the new analysis for oblique cutting (including an investigation of Stabler's rule for the relation between the chip flow velocity angle C and the angle of blade inclination i) compare consistently and favorably with experimental results.

Comportamento do aco inoxidavel ABNT 304 a corrosao-sob-tensao em solucoes aquosas neutras de nacl a temperatura de ebulicao utilizando a tecnica de carga constante

Estudou-se o comportamento do aço inoxidável ABNT 304 à corrosão-sob-tensão (C.S.T.) em soluções aquosas com 0,1%, 3,5% e 20% de NaCl, na temperatura de 103°C, através de ensaios de carga constante. Com auxílio das técnicas e conceitos de Mecânica de Fratura Linear Elástica e das análises eletroquímicas procurou-se encontrar as condições em que ocorre C.S.T. no sistema aço inoxidável austenítico/solução aquosa de NaCl a 103°C. Utilizou-se o corpo-de-prova do tipo dupla viga em balanço (T-notch double cantilever beam: TN-DCB), com intuito de observar a influência do fator de intensidade de tensão, concentração da solução e potencial eletroquímico. Estimou-se o valor do fator de intensidade de tensão limite (KICST) e a velocidade de propagação das trincas; também foram analisadas outras importantes características em termos mecanísticos. Definiu-se faixas de potenciais e valores de intensidade de tensão a partir dos quais ocorre o surgimento de trincas por C.S.T.. Fêz-se análises metalográficas dos corpos-de-prova onde se pode constatar trincas transgranulares bem típicas do fenômeno de C.S.T.. Foram feitos alguns testes em solução aquosa saturada de MgCl2, em ebulição, para se comparar as diferentes soluções quanto ao fenômeno de C.S.T.. Alterou-se as dimensões do corpo-de-prova para avaliar a orientação da propagação das trincas por C.S.T..

Plásticos reforçados a base de tecidos híbridos: efeitos da anisotropia e geometria normativa na caracterização mecânica e da fratura

As most current studies, reinforced plastics have been, in recent years, a viable alternative in building structural elements of medium and large, since the lightness accompanied by high performance possible. The design of hybrid polymer composites (combination of different types of reinforcements) may enable structural applications thereof, facing the most severe service conditions. Within this class of composite materials, reinforced the underlying tissues hybrid high performance are taking space when your application requires high load bearing and high rigidity. The objective of this research work is to study the challenges in designing these fabrics bring these materials as to its mechanical characterization and fracture mechanisms involved. Some parameters associated with the process and / or form of hybridization stand out as influential factors in the final performance of the material such as the presence of anisotropy, so the fabric weave, the process of making the same, normative geometry of the specimens, among others. This sense, four laminates were developed based hybrid reinforcement fabrics involving AS4 carbon fiber, kevlar and glass 49-E as the matrix epoxy vinyl ester resin (DERAKANE 411-350). All laminates were formed each with four layers of reinforcements. Depending on the hybrid fabric, all the influencing factors mentioned above have been studied for laminates. All laminates were manufactured industrially used being the lamination process manual (hand-lay-up). All mechanical characterization and study of the mechanism of fracture (fracture mechanics) was developed for laminates subjected to uniaxial tensile test, bending in three and uniaxial compression. The analysis of fracture mechanisms were held involving the macroscopic, optical microscopy and scanning electron microscopy

Laminados compósitos de PRFV: efeitos da descontinuidade geométrica e do envelhecimento ambiental acelerado

The growing demand in the use of composite materials necessitates a better understanding of its behavior related to many conditions of loading and service, as well as under several ways of connections involved in mechanisms of structural projects. Within these project conditions are highlighted the presence of geometrical discontinuities in the area of cross and longitudinal sections of structural elements and environmental conditions of work like UV radiation, moisture, heat, leading to a decrease in final mechanical response of the material. In this sense, this thesis aims to develop studies detailed (experimental and semi-empirical models) the effects caused by the presence of geometric discontinuity, more specifically, a central hole in the longitudinal section (with reduced cross section) and the influence of accelerated environmental aging on the mechanical properties and fracture mechanism of FGRP composite laminates under the action of uniaxial tensile loads. Studies on morphological behavior and structural degradation of composite laminates are performed by macroscopic and microscopic analysis of affected surfaces, in addition to evaluation by the Measurement technique for mass variation (TMVM). The accelerated environmental aging conditions are simulated by aging chamber. To study the simultaneous influence of aging/geometric discontinuity in the mechanical properties of composite laminates, a semiempirical model is proposed and called IE/FCPM Model. For the stress concentration due to the central hole, an analisys by failures criteria were performed by Average-Stress Criterion (ASC) and Point-Stress Criterion (PSC). Two polymeric composite laminates, manufactured industrially were studied: the first is only reinforced by short mats of fiberglass-E (LM) and the second where the reinforced by glass fiber/E comes in the form of bidirectional fabric (LT). In the conception configurations of laminates the anisotropy is crucial to the final mechanical response of the same. Finally, a comparative study of all parameters was performed for a better understanding of the results. How conclusive study, the characteristics of the final fracture of the laminate under all conditions that they were subjected, were analyzed. These analyzes were made at the macroscopic level (scanner) microscope (optical and scanning electron). At the end of the analyzes, it was observed that the degradation process occurs similarly for each composite researched, however, the LM composite compared to composite LT (configurations LT 0/90º and LT ±45º) proved to be more susceptible to loss of mechanical properties in both regarding with the central hole as well to accelerated environmental aging

A mixture theory based method for three-dimensional modeling of reinforce concrete members with embedded crack finite elements

The paper presents a methodology to model three-dimensional reinforced concrete members by means of embedded discontinuity elements based on the Continuum Strong Discontinuous Approach (CSDA). Mixture theory concepts are used to model reinforced concrete as a 31) composite material constituted of concrete with long fibers (rebars) bundles oriented in different directions embedded in it. The effects of the rebars are modeled by phenomenological constitutive models devised to reproduce the axial non-linear behavior, as well as the bond-slip and dowel action. The paper presents the constitutive models assumed for the components and the compatibility conditions chosen to constitute the composite. Numerical analyses of existing experimental reinforced concrete members are presented, illustrating the applicability of the proposed methodology.

2D evaluation of crack openings using smeared and embedded crack models

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Improvement in the fatigue strength of chromium electroplated AISI 4340 steel by shot peening

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Study of the dimensions of double-torsion test specimens

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)