Damage tolerance analysis for Blackshape BS 115 programme, EASA CS VLA & CS-23

The thesis project has been developed in partnership with the Design Department of Blackshape Spa, a carbon – fiber ultra – light airplane company in Monopoli (Bari, Italy). The main goal is the assessment of a starting point for a damage tolerant concept during the design and certification phases of the Blackshape BS 115 airplane, with respect to EASA CS VLA & CS 23 Regulations. This approach has been carried out starting from an initial literary review as far as the way of modeling composites fractures is concerned. Further on, three finite element models have been generated and implemented in order to simulate defects occurring during manufacturing and service phases. At last, the procedures of non - destructive inspections have been taken into account, in order to establish how to investigate primary structures defects and delaminations during maintenance.

Numerical simulations of the effects of residual stresses in adhesively bonded composite specimen

In this work the problem of performing a numerical simulation of quasi-static crack propagation within an adhesive layer of a bonded joint under Mode I loading affected by stress field changes due to thermal-chemical shrinkage induced by cure process is addressed. Secondly, a parametric study on fracture critical energy, cohesive strength and Young's modulus is performed. Finally, a particular case of adhesive layer stiffening is simulated in order to verify qualitatively the major effect.

Integration of computational models and experimental characterization to study internal frost damage in cementitious materials

The objective of this doctoral research is to investigate the internal frost damage due to crystallization pore pressure in porous cement-based materials by developing computational and experimental characterization tools. As an essential component of the U.S. infrastructure system, the durability of concrete has significant impact on maintenance costs. In cold climates, freeze-thaw damage is a major issue affecting the durability of concrete. The deleterious effects of the freeze-thaw cycle depend on the microscale characteristics of concrete such as the pore sizes and the pore distribution, as well as the environmental conditions. Recent theories attribute internal frost damage of concrete is caused by crystallization pore pressure in the cold environment. The pore structures have significant impact on freeze-thaw durability of cement/concrete samples. The scanning electron microscope (SEM) and transmission X-ray microscopy (TXM) techniques were applied to characterize freeze-thaw damage within pore structure. In the microscale pore system, the crystallization pressures at sub-cooling temperatures were calculated using interface energy balance with thermodynamic analysis. The multi-phase Extended Finite Element Modeling (XFEM) and bilinear Cohesive Zone Modeling (CZM) were developed to simulate the internal frost damage of heterogeneous cement-based material samples. The fracture simulation with these two techniques were validated by comparing the predicted fracture behavior with the captured damage from compact tension (CT) and single-edge notched beam (SEB) bending tests. The study applied the developed computational tools to simulate the internal frost damage caused by ice crystallization with the two dimensional (2-D) SEM and three dimensional (3-D) reconstructed SEM and TXM digital samples. The pore pressure calculated from thermodynamic analysis was input for model simulation. The 2-D and 3-D bilinear CZM predicted the crack initiation and propagation within cement paste microstructure. The favorably predicted crack paths in concrete/cement samples indicate the developed bilinear CZM techniques have the ability to capture crack nucleation and propagation in cement-based material samples with multiphase and associated interface. By comparing the computational prediction with the actual damaged samples, it also indicates that the ice crystallization pressure is the main mechanism for the internal frost damage in cementitious materials.

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.

Estudo experimental e numérico de juntas adesivas em T com aderentes de alumínio

Nos dias de hoje, a ligação adesiva de estruturas complexas que não poderiam ou não seriam tão fáceis de ser fabricadas numa só peça é cada vez mais usual. As juntas adesivas têm vindo a substituir muitos outros métodos de ligação, como por exemplo ligações aparafusadas, rebitas ou soldadas, devido às vantagens de facilidade na sua fabricação, resistência superior e capacidade de unir materiais diferentes. Por esta razão as juntas adesivas têm vindo a ser aplicadas cada vez mais em várias industrias como aeroespacial, aeronáutica, automóvel, naval e calçado. O tipo de adesivo a usar em determinada aplicação é principalmente escolhido consoante as suas características mecânicas e o tipo de resposta pretendida às solicitações impostas. Como exemplo de adesivo resistente e frágil existe o Araldite® AV138. Por outro lado, o adesivo Araldite® 2015 é menos resistente, mas apresenta maior ductilidade e flexibilidade. Além dos adesivos Araldite® comerciais, existem adesivos de poliuretano que combinam características de elevada resistência com características de grande ductilidade e flexibilidade, como por exemplo o Sikaforce® 7752. Esta dissertação tem como objetivo estudar experimentalmente e numericamente, através de modelos de dano coesivo (MDC), o comportamento de diferentes configurações de junta em T quando sujeitas a solicitações de arrancamento. Consideram-se os adesivos anteriormente mencionados para testar as juntas sob diferentes tipos de adesivos. A junta em T é constituída por 2 aderentes em L de alumínio e um aderente base também em alumínio, unidos por uma camada de adesivo. Experimentalmente é feito um estudo da resistência da junta com a variação da espessura dos aderentes em L (tP2). Com a análise numérica são estudadas as distribuições de tensões, evolução do dano, modos de rotura e resistência. Além disso, realizou-se um estudo numérico da existência ou não de adesivo de preenchimento na zona da curvatura dos aderentes em L nas tensões e na resistência da junta. Mostrouse que a variação da geometria nos aderentes em L, a presença de adesivo de preenchimento e o tipo de adesivo têm uma influência direta na resistência de junta. Os ensaios experimentais validaram os resultados numéricos e permitiram concluir que os MDC são uma técnica precisa para o estudo das geometrias das juntas em T.

Multi-objective optimization of material model parameters of an adhesive layer by using SPEA2

The usage of multi material structures in industry, especially in the automotive industry are increasing. To overcome the difficulties in joining these structures, adhesives have several benefits over traditional joining methods. Therefore, accurate simulations of the entire process of fracture including the adhesive layer is crucial. In this paper, material parameters of a previously developed meso mechanical finite element (FE) model of a thin adhesive layer are optimized using the Strength Pareto Evolutionary Algorithm (SPEA2). Objective functions are defined as the error between experimental data and simulation data. The experimental data is provided by previously performed experiments where an adhesive layer was loaded in monotonically increasing peel and shear. Two objective functions are dependent on 9 model parameters (decision variables) in total and are evaluated by running two FEsimulations, one is loading the adhesive layer in peel and the other in shear. The original study converted the two objective functions into one function that resulted in one optimal solution. In this study, however, a Pareto frontis obtained by employing the SPEA2 algorithm. Thus, more insight into the material model, objective functions, optimal solutions and decision space is acquired using the Pareto front. We compare the results and show good agreement with the experimental data.