The effect of adhesive thickness on the mechanical behavior of a structural polyurethane adhesive

One parameter that influences the adhesively bonded joints performance is the adhesive layer thickness. Hence, its effect has to be investigated experimentally and should be taken into consideration in the design of adhesive joints. Most of the results from literature are for typical structural epoxy adhesives which are generally formulated to perform in thin sections. However, polyurethane adhesives are designed to perform in thicker sections and might have a different behavior as a function of adhesive thickness. In this study, the effect of adhesive thickness on the mechanical behavior of a structural polyurethane adhesive was investigated. The mode I fracture toughness of the adhesive was measured using double-cantilever beam (DCB) tests with various thicknesses of the adhesive layer ranging from 0.2 to 2 mm. In addition, single lap joints (SLJs) were fabricated and tested to assess the influence of adhesive thickness on the lap-shear strength of the adhesive. An increasing fracture toughness with increasing adhesive thickness was found. The lap-shear strength decreases as the adhesive layer gets thicker, but in contrast to joints with brittle adhesives the decrease trend was less pronounced.

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.

Caraterização das propriedades macânicas e de fratura de um adesivo estrutural de alta ductilidade

As juntas adesivas são uma alternativa viável para substituir ligações comuns como as mecânicas ou soldadas, devido a diversas vantagens como a possibilidade de união de materiais de natureza diferente, maior leveza, menores custos inerentes ao fabrico e ainda prevenção da corrosão galvânica que pode ocorrer nas ligações entre dois materiais metálicos diferentes. A resistência de uma junta depende, para um determinado tipo de solicitação imposta, da distribuição de tensões no interior da junta. Por outro lado, a geometria das juntas, as propriedades mecânicas dos adesivos e os componentes a ligar vão influenciar a distribuição de tensões. O carregamento nas camadas adesivas de uma junta poderá induzir tensões de tração, compressão, corte, arrancamento ou clivagem, ou ainda uma combinação de duas ou mais destas componentes. O objetivo da presente dissertação é a caraterização completa de um adesivo estrutural de alta ductilidade recentemente lançado no mercado (SikaPower® -4720), para facilitar o projeto e otimização de juntas adesivas ligadas com o mesmo. São quatro os ensaios a realizar: ensaios à tração de provetes maciços (também denominados de bulk), ensaios ao corte com a geometria Thick Adherend Shear Test, ensaios Double-Cantilever Beam e ainda ensaios End-Notched Flexure. Com a realização dos ensaios referidos, são determinadas as propriedades essenciais à caraterização mecânica e de fratura do adesivo. Os resultados obtidos para cada ensaio resultaram em propriedades medidas com elevada repetibilidade, da mesma maneira que se revelaram de acordo com os dados disponibilizados pelo fabricante, sempre que estes estavam disponíveis.

Bruchmechanismen an Polymergrenzflächen

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen zur Aufklärung des Versagens thermisch verschweißter Polymergrenzflächen (hier: Polymethylmethacrylat) durchgeführt. Solch ein Wissen kommt in der Praxis bei sogenannten Sollbruchstellen zum Einsatz. Dabei muss die Grenzschicht bis zu einer bestimmten Belastungsintensität stabil bleiben bei höherer Belastung jedoch brechen. Zudem ist eine stabile Risspropagation entlang der Grenzschicht wichtig.Neben der Bruchstabilitätsbestimmung mit Hilfe des Double Cantilever Beam Tests wurden die beim Versagen der Grenzschicht entstandenen Defekte untersucht. Die Analyse der Bruchfläche erfolgte mit Mikroskopie und Höhenprofilometrie. Defekte im Volumen wurden durch Scanning-Ultra Small Angle X-ray Scattering und Scanning Microfokus-Small Angle X-ray Scattering untersucht.Im Modellsystem können Sollbruchstellen bis zu einer Belastungsintensität von maximal 280J/m² durch die Verschweißungsdauer eingestellt werden. Die Untersuchung der Bruchflächen lieferte ein kombiniertes Modell aus Ausheil- und Interdiffusionsprozess. Ferner folgt aus den Streuuntersuchungen, dass beim Modellsystem keine hochgeordneten Defektstrukturen vorliegen. Die entstandenen Strukturen folgen einem Modell diffuser Defektgrenzflächen. Über die gemessene Diffusivität kann zudem auf die Energiedissipation im Bereich um das Rissende geschlossen werden. Sie ist im unmittelbaren Rissbereich am Höchsten und nimmt mit Entfernung davon ab. Dabei haben die Defektbereiche eine Größe bis zu 650µm. Die Richtung der von außen angelegten Belastung spielt bei der räumlichen Orientierung der Defekte keine Rolle.

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.

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.

The dynamic behavior of a cantilever beam coupled to a non-ideal unbalanced motor through numerical and experimental analysis

An excitation force that is not influenced by the system state is said to be an ideal energy source. In real situations, a direct and feedback coupling between the excitation source and the system must always exist at a certain level. This manifestation of the law of conservation of energy is known as the Sommerfeld effect. In the case of obtaining a mathematical model for such a system, additional equations are usually necessary to describe the vibration sources with limited power and its coupling with the mechanical system. In this work, a cantilever beam and a non-ideal DC motor fixed to its free end are analyzed. The motor has an unbalanced mass that provides excitation to the system which is proportional to the current applied to the motor. During the coast up operation of the motor, if the drive power is increased slowly, making the excitation frequency pass through the first natural frequency of the beam, the DC motor speed will remain the same until it suddenly jumps to a much higher value (simultaneously its amplitude jumps to a much lower value) upon exceeding a critical input power. It was found that the Sommerfeld effect depends on some system parameters and the motor operational procedures. These parameters are explored to avoid the resonance capture in the Sommerfeld effect. Numerical simulations and experimental tests are used to help gather insight of this dynamic behavior. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Effects of Variations in Nonlinear Damping Coefficients on the Parametric Vibration of a Cantilever Beam with a Lumped Mass

Uncertainties in damping estimates can significantly affect the dynamic response of a given flexible structure. A common practice in linear structural dynamics is to consider a linear viscous damping model as the major energy dissipation mechanism. However, it is well known that different forms of energy dissipation can affect the structure's dynamic response. The major goal of this paper is to address the effects of the turbulent frictional damping force, also known as drag force on the dynamic behavior of a typical flexible structure composed of a slender cantilever beam carrying a lumped-mass on the tip. First, the system's analytical equation is obtained and solved by employing a perturbation technique. The solution process considers variations of the drag force coefficient and its effects on the system's response. Then, experimental results are presented to demonstrate the effects of the nonlinear quadratic damping due to the turbulent frictional force on the system's dynamic response. In particular, the effects of the quadratic damping on the frequency-response and amplitude-response curves are investigated. Numerically simulated as well as experimental results indicate that variations on the drag force coefficient significantly alter the dynamics of the structure under investigation. Copyright (c) 2008 D. G. Silva and P. S. Varoto.

Feasibility of the extended finite element method for the simulation of composite bonded joints

Adhesive-bonding for the unions in multi-component structures is gaining momentum over welding, riveting and fastening. It is vital for the design of bonded structures the availability of accurate damage models, to minimize design costs and time to market. Cohesive Zone Models (CZM’s) have been used for fracture prediction in structures. The eXtended Finite Element Method (XFEM) is a recent improvement of the Finite Element Method (FEM) that relies on traction-separation laws similar to those of CZM’s but it allows the growth of discontinuities within bulk solids along an arbitrary path, by enriching degrees of freedom. This work proposes and validates a damage law to model crack propagation in a thin layer of a structural epoxy adhesive using the XFEM. The fracture toughness in pure mode I (GIc) and tensile cohesive strength (sn0) were defined by Double-Cantilever Beam (DCB) and bulk tensile tests, respectively, which permitted to build the damage law. The XFEM simulations of the DCB tests accurately matched the experimental load-displacement (P-d) curves, which validated the analysis procedure.

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.

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.

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

Mestrado em Engenharia Mecânica

Comparação dos ensaios DCB e TDCB para determinação da tenacidade em tração de adesivos estruturais

O constante desenvolvimento observado nas ligações adesivas, em conjunto com as melhorias verificadas nas características dos adesivos, estão a ser traduzidos, de uma certa forma, num aumento das aplicações das ligações adesivas, assim como na variedade de aplicações. No âmbito da previsão de resistência de juntas adesivas, dois métodos de grande relevância são a Mecânica da Fratura e os Modelos de Dano Coesivo. Os Modelos de Dano Coesivo permitem a simulação da iniciação e propagação do dano, recorrendo ao Método Dos Elementos Finitos. No que concerne à Mecânica da Fratura, a previsão de resistência é geralmente feita através de uma análise energética. Independentemente da forma como é obtida, a taxa crítica de libertação de energia de deformação à tração (GIc) dos adesivos é um dos parâmetros mais importantes para a previsão da resistência das juntas. Dois dos ensaios mais utilizados são o Double Cantilever Beam (DCB) e o Tapered Double Cantilever Beam (TDCB). Este trabalho pretende determinar e comparar o valor de GIc em juntas adesivas pelos ensaios DCB e TDCB. São utilizados três tipos de adesivos com diferentes graus de ductilidade. No ensaio DCB os métodos utilizados para a determinação de GIc são: Compliance-Based Beam Method (CBBM), Corrected Beam Theory (CBT) e Compliance Calibration Method (CCM). Os métodos utilizados no ensaio TDCB são: Simple Beam Theory (SBT), Corrected Beam Theory (CBT) e Compliance Calibration Method (CCM). Os resultados obtidos apresentam concordância entre os vários métodos de cada ensaio. A discrepância de resultados é superior quando comparados os dois tipos de ensaios.

Caraterização das propriedades mecânicas de um adesivo estrutural de alta ductilidade

A tecnologia de ligação por adesivos estruturais tem vindo a ser utilizada ao longo de várias décadas, permitindo solucionar diversos problemas associados a técnicas chamadas "tradicionais" de ligação, como a soldadura, a rebitagem ou a ligação aparafusada. Esta é uma alternativa viável para substituir as ligações mecânicas, devido a diversos fatores como o menor peso estrutural, menor custo de fabricação e capacidade de união de diferentes materiais. O crescente recurso a materiais compósitos em diversas indústrias, nomeadamente a aeronáutica e naval, levaram ao consequente aumento da aplicação de ligações adesivas, por serem indicadas como forma de união destes materiais, onde é de enaltecer a sua elevada resistência à fadiga. Uma junta adesiva está maioritariamente sujeita a esforços de corte e arrancamento e portanto o conhecimento dos módulos de elasticidade à tração (E) ou corte (G) do adesivo, e ainda as resistências máximas à tração e ao corte, não é suficiente quando se pretende prever o comportamento da mesma. Na verdade, torna-se necessário abranger na análise a plastificação progressiva verificada nas juntas adesivas antes da rotura, sendo necessário o conhecimento de parâmetros tais como a taxa crítica de libertação de energia de deformação à tração (GIc) e corte (GIIc). Este trabalho pretende estudar um adesivo estrutural recentemente lançado no mercado, carecendo portanto da sua caracterização, para facilitar a previsão da resistência de estruturas adesivas ligadas com o mesmo. São 4 os ensaios a realizar: ensaios à tração de provetes em bruto, ensaios ao corte com a geometria Thick Adherend Shear Test (TAST), ensaios Double-Cantilever Beam (DCB) e ensaios End-Notched Flexure (ENF). Com a realização dos ensaios referidos, serão determinadas as propriedades mecânicas e de fratura à tração e ao corte, e serão fornecidos os parâmetros para a previsão da resistência de juntas adesivas com este adesivo por uma variedade de métodos, desde métodos analíticos mais expeditos até aos métodos numéricos mais avançados existentes atualmente. Os resultados foram de encontro aos disponibilizados pelo fabricante, sempre que estes se encontravam disponíveis, obtendo-se discrepâncias bastante reduzidas nos diversos parâmetros determinados.

Upper limb tremor suppression in ADL via an orthosis incorporating a controllable double viscous beam actuator

Neuromuscular disorders affect millions of people world-wide. Upper limb tremor is a common symptom, and due to its complex aetiology it is difficult to compensate for except, in particular cases by surgical intervention or drug therapy. Wearable devices that mechanically compensate for limb tremor could benefit a considerable number of patients, but the technology to assist suffers in this way is under-developed. In this paper we propose an innovative orthosis that can dynamically suppress pathological tremor, by applying viscous damping to the affected limb in a controlled manner. The orthosis design utilises a new actuator design based on Magneto-Rheological Fluids that efficiently deliver damping action in response to the instantaneous tremor frequency and amplitude.