Adherend thickness effect on the tensile fracture toughness of a structural adhesive using an optical data acquisition method

Adhesive bonding is nowadays a serious candidate to replace methods such as fastening or riveting, because of attractive mechanical properties. As a result, adhesives are being increasingly used in industries such as the automotive, aerospace and construction. Thus, it is highly important to predict the strength of bonded joints to assess the feasibility of joining during the fabrication process of components (e.g. due to complex geometries) or for repairing purposes. This work studies the tensile behaviour of adhesive joints between aluminium adherends considering different values of adherend thickness (h) and the double-cantilever beam (DCB) test. The experimental work consists of the definition of the tensile fracture toughness (GIC) for the different joint configurations. A conventional fracture characterization method was used, together with a J-integral approach, that take into account the plasticity effects occurring in the adhesive layer. An optical measurement method is used for the evaluation of crack tip opening and adherends rotation at the crack tip during the test, supported by a Matlab® sub-routine for the automated extraction of these quantities. As output of this work, a comparative evaluation between bonded systems with different values of adherend thickness is carried out and complete fracture data is provided in tension for the subsequent strength prediction of joints with identical conditions.

Mechanical and thermal characterization of a structural polyurethane adhesive modified with thermally expandable particles

Thermally expandable particles (TEPs) are used in a wide variety of applications by industry mainly for weight reduction and appearance improvement for thermoplastics, inks, and coatings. In adhesive bonding, TEPs have been used for recycling purposes. However, TEPs might be used to modify structural adhesives for other new purposes, such as: to increase the joint strength by creating an adhesive functionally modified along the overlap of the joint by gradual heating and/or to heal the adhesive in case of damage. In this study, the behaviour of a structural polyurethane adhesive modified with TEPs was investigated as a preliminary study for further investigations on the potential of TEPs in adhesive joints. Tensile bulk tests were performed to get the tensile properties of the unmodified and TEPs-modified adhesive, while Double Cantilever Beam (DCB) test was performed in order to evaluate the resistance to mode I crack propagation of unmodified and TEPs-modified adhesive. In addition, in order to investigate the behaviour of the particles while encapsulated in adhesives, a thermal analysis was done. Scanning electron microscopy (SEM) was used to examine the fracture surface morphology of the specimens. The fracture toughness of the TEPs-modified adhesive was found to increase by addition of TEPs, while the adhesive tensile strength at yield decreased. The temperature where the particles show the maximum expansion varied with TEPs concentration, decreasing with increasing the TEPs content.

Optimization of cruciform specimens for biaxial fatigue loading with direct multi search

In order to correctly assess the biaxial fatigue material properties one must experimentally test different load conditions and stress levels. With the rise of new in-plane biaxial fatigue testing machines, using smaller and more efficient electrical motors, instead of the conventional hydraulic machines, it is necessary to reduce the specimen size and to ensure that the specimen geometry is appropriate for the load capacity installed. At the present time there are no standard specimen's geometries and the indications on literature how to design an efficient test specimen are insufficient. The main goal of this paper is to present the methodology on how to obtain an optimal cruciform specimen geometry, with thickness reduction in the gauge area, appropriate for fatigue crack initiation, as a function of the base material sheet thickness used to build the specimen. The geometry is optimized for maximum stress using several parameters, ensuring that in the gauge area the stress distributions on the loading directions are uniform and maximum with two limit phase shift loading conditions (delta = 0 degrees and (delta = 180 degrees). Therefore the fatigue damage will always initiate on the center of the specimen, avoiding failure outside this region. Using the Renard Series of preferred numbers for the base material sheet thickness as a reference, the reaming geometry parameters are optimized using a derivative-free methodology, called direct multi search (DMS) method. The final optimal geometry as a function of the base material sheet thickness is proposed, as a guide line for cruciform specimens design, and as a possible contribution for a future standard on in-plane biaxial fatigue tests

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

Mestrado em Engenharia Mecânica

Stress Ratio Effects on the fatigue Properties of Biaxially Loaded Tubular FRP-Specimens – Experimental Study

In this work tubular fiber reinforced specimens are tested for fatigue life. The specimens are biaxially loaded with tension and shear stresses, with a load angle β of 30° and 60° and a load ratio of R=0,1. There are many factors that affect fatigue life of a fiber reinforced material and the main goal of this work is to study the effects of load ratio R by obtaining S-N curves and compare them to the previous works (1). All the other parameters, such as specimen production, fatigue loading frequency and temperature, will be the same as for the previous tests. For every specimen, stiffness, temperature of the specimen during testing, crack counting and final fracture mode are obtained. Prior to testing, a study if the literature regarding the load ratio effects on composites fatigue life and with that review estimate the initial stresses to be applied in testing. In previous works (1) similar specimens have only been tested for a load ratio of R=-1 and therefore the behaviour of this tubular specimens for a different load ratio is unknown. All the data acquired will be analysed and compared to the previous works, emphasizing the differences found and discussing the possible explanations for those differences. The crack counting software, developed at the institute, has shown useful before, however different adjustments to the software parameters lead to different cracks numbers for the same picture, and therefore a better methodology will be discussed to improve the crack counting results. After the specimen’s failure, all the data will be collected and stored and fibre volume content for every specimen is also determinate. The number of tests required to make the S-N curves are obtained according to the existent standards. Additionally are also identified some improvements to the testing machine setup and to the procedures for future testing.

Projetos de estabilidade e fundações

O presente relatório final refere-se ao trabalho desenvolvido durante o período de estágio curricular enquadrado no ciclo de estudos do segundo ano do Mestrado em Engenharia Civil do Instituto Superior de Engenharia do Porto. O estágio decorreu ao longo de seis meses, desde Fevereiro até Julho de 2014, na empresa CCAD em ambiente de gabinete, para a obtenção do grau de mestre em Engenharia Civil. A abordagem do documento passará por enquadrar o estágio e a sua importância e apresentar a empresa onde teve lugar. Durante os seis meses foram desenvolvidos projetos de estabilidade de estruturas em betão armado, sendo possível analisar e dimensionar os elementos através de programas de cálculo que serão apresentados a seguir. Estabelecem-se recomendações gerais de forma a garantir a durabilidade e o bom comportamento das estruturas. Aborda-se o dimensionamento dos elementos de betão armado, onde se salienta uma atenção especial dada ao controlo da fendilhação. Ao longo do documento serão descritos os projetos elaborados e a área em que estão inseridos. Neste relatório apresentam-se as metodologias para a determinação de armaduras tendo em conta os diversos fatores intervenientes. Finalmente, enunciam-se algumas conclusões de carácter geral decorrentes do trabalho desenvolvido.

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.

Adhesive thickness effects of a ductile adhesive by optical measurement techniques

Adhesive bonding is an excellent alternative to traditional joining techniques such as welding, mechanical fastening or riveting. However, there are many factors that have to be accounted for during joint design to accurately predict the joint strength. One of these is the adhesive layer thickness (tA). Most of the results are for epoxy structural adhesives, tailored to perform best with small values of tA, and these show that the lap joint strength decreases with increase of tA (the optimum joint strength is usually obtained with tA values between 0.1 and 0.2 mm). Recently, polyurethane adhesives were made available in the market, designed to perform with larger tA values, and whose fracture behaviour is still not studied. In this work, the effect of tA on the tensile fracture toughness (View the MathML source) of a bonded joint is studied, considering a novel high strength and ductile polyurethane adhesive for the automotive industry. This work consists on the fracture characterization of the bond by a conventional and the J-integral techniques, which accurately account for root rotation effects. An optical measurement method is used for the evaluation of crack tip opening (δn) and adherends rotation at the crack tip (θo) during the test, supported by a Matlab® sub-routine for the automated extraction of these parameters. As output of this work, fracture data is provided in traction for the selected adhesive, enabling the subsequent strength prediction of bonded joints.

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.

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.

Bioactive beads for local sensing of proteases in 3D engineered tissues

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Bioengenharia (MIT)

Aplicação de um método de correlação de imagem para a determinação da tenacidade à fratura em corte de adesivos estruturais

Qualquer estrutura hoje em dia deve ser resistente, robusta e leve, o que aumentou o interesse industrial e investigação nas ligações adesivas, nomeadamente pela melhoria das propriedades de resistência e fratura dos materiais. Com esta técnica de união, o projeto de estruturas pode ser orientado para estruturas mais leves, não só em relação à economia direta de peso relativamente às juntas aparafusas ou soldadas, mas também por causa da flexibilidade para ligar materiais diferentes. 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, Modelos de Dano Coesivo (MDC) são uma ferramenta essencial, embora seja necessário estimar as leis MDC do adesivo à tração e corte para entrada nos modelos numéricos. Este trabalho avalia o valor da tenacidade ao corte (GIIC) de juntas coladas para três adesivos com ductilidade distinta. O trabalho experimental consiste na caracterização à fratura ao corte da ligação adesiva por métodos convencionais e pelo Integral-J. Além disso, pelo integral-J, é possível definir a forma exata da lei coesiva. Para o integral-J, é utilizado um método de correlação de imagem digital anteriormente desenvolvido para a avaliação do deslocamento ao corte do adesivo na extremidade da fenda (δs) durante o ensaio, acoplado a uma sub-rotina em Matlab® para a extração automática de δs. É também apresentado um trabalho numérico para avaliar a adequabilidade de leis coesivas triangulares aproximadas em reproduzir as curvas força-deslocamento (P-δ) experimentais dos ensaios ENF. Também se apresenta uma análise de sensibilidade para compreender a influência dos parâmetros coesivos nas previsões numéricas. Como resultado deste trabalho, foram estimadas experimentalmente as leis coesivas de cada adesivo pelo método direto, e numericamente validadas, para posterior previsão de resistência em juntas adesivas. Em conjunto com a caraterização à tração destes adesivos, é possível a previsão da rotura em modo-misto.

Stochastic modeling of the thermal and catalytic degradation of polyethylene using simultaneous DSC/TG analysis

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Bioquímica

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 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.