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.

Determinação da tenacidade à fratura em corte (GIIc) de adesivos estruturais pelo ensaio End-Notched Flexure (ENF)

Os adesivos têm sido alvo de estudo ao longo dos últimos anos para ligação de componentes a nível industrial. Devido à crescente utilização das juntas adesivas, torna-se necessária a existência de modelos de previsão de resistência que sejam fiáveis e robustos. Neste âmbito, a determinação das propriedades dos adesivos é fundamental para o projeto de ligações coladas. Uma abordagem recente consiste no uso de modelos de dano coesivo (MDC), que permitem simular o comportamento à fratura das juntas de forma bastante fiável. Esta técnica requer a definição das leis coesivas em tração e corte. Estas leis coesivas dependem essencialmente de 2 parâmetros: a tensão limite e a tenacidade no modo de solicitação respetivo. O ensaio End-Notched Flexure (ENF) é o mais utilizado para determinar a tenacidade em corte, porque é conhecido por ser o mais expedito e fiável para caraterizar este parâmetro. Neste ensaio, os provetes são sujeitos a flexão em 3 pontos, sendo apoiados nas extremidades e solicitados no ponto médio para promover a flexão entre substratos, o que se reflete numa solicitação de corte no adesivo. A partir deste ensaio, e após de definida a tenacidade em corte (GIIc), existem alguns métodos para estimativa da lei coesiva respetiva. Nesta dissertação são definidas as leis coesivas em corte de três adesivos estruturais através do ensaio ENF e um método inverso de ajuste dos dados experimentais. Para o efeito, foram realizados ensaios experimentais considerado um adesivo frágil, o Araldite® AV138, um adesivo moderadamente dúctil, o Araldite® 2015 e outro dúctil, o SikaForce® 7752. O trabalho experimental consistiu na realização dos ensaios ENF e respetivo tratamento dos dados para obtenção das curvas de resistência (curvas-R) através dos seguintes métodos: Compliance Calibration Method (CCM), Direct Beam Theory (DBT), Corrected Beam Theory (CBT) e Compliance-Based Beam Method (CBBM). Os ensaios foram simulados numericamente pelo código comercial ABAQUS®, recorrendo ao Métodos de Elementos Finitos (MEF) e um MDC triangular, com o intuito de estimar a lei coesiva de cada um dos adesivos em solicitação de corte. Após este estudo, foi feita uma análise de sensibilidade ao valor de GIIc e resistência coesiva ao corte (tS 0), para uma melhor compreensão do efeito destes parâmetros na curva P- do ensaio ENF. Com o objetivo de testar adequação dos 4 métodos de obtenção de GIIc usados neste trabalho, estes foram aplicados a curvas P- numéricas de cada um dos 3 adesivos, e os valores de GIIc previstos por estes métodos comparados com os respetivos valores introduzidos nos modelos numéricos. Como resultado do trabalho realizado, conseguiu-se obter uma lei coesiva única em corte para cada um dos 3 adesivos testados, que é capaz de reproduzir com precisão os resultados experimentais.

The role of material characterisation in the crush modelling of thermoplastic composite structures

The predictive capability of high fidelity finite element modelling, to accurately capture damage and crush behaviour of composite structures, relies on the acquisition of accurate material properties, some of which have necessitated the development of novel approaches. This paper details the measurement of interlaminar and intralaminar fracture toughness, the non-linear shear behaviour of carbon fibre (AS4)/thermoplastic Polyetherketoneketone (PEKK) composite laminates and the utilisation of these properties for the accurate computational modelling of crush. Double-cantilever-beam (DCB), four-point end-notched flexure (4ENF) and Mixed-mode bending (MMB) test configurations were used to determine the initiation and propagation fracture toughness in mode I, mode II and mixed-mode loading, respectively. Compact Tension (CT) and Compact Compression (CC) test samples were employed to determine the intralaminar longitudinal tensile and compressive fracture toughness. V-notched rail shear tests were used to measure the highly non-linear shear behaviour, associated with thermoplastic composites, and fracture toughness. Corresponding numerical models of these tests were developed for verification and yielded good correlation with the experimental response. This also confirmed the accuracy of the measured values which were then employed as input material parameters for modelling the crush behaviour of a corrugated test specimen.

Measurements of fracture toughness applying a four-point-bending technique of ice core B34 from Kohnen Station, Dronning Maud Land, Antarctica

The critical fracture toughness is a material parameter describing the resistance of a cracked body to further crack extension. It is an important parameter to simulate and predict the break-up behaviour of ice shelves from calving of single icebergs to the disintegration of entire ice shelves over a wide range of length scales. The fracture toughness values are calculated with equations that are derived from an elastic stress analysis. Additionally, an X-ray computer tomography (CT scanner) was used to identify the density as a function of depth. The critical fracture toughness of 91 Antarctic inland ice samples with densities between 840 to 870 kg/m**3 has been determined by applying a four-point-bending technique on single edge v-notched beam samples. The examined ice core was drilled 70m north of Kohnen Station, Dronnning Maud Land (75°00' S, 00°04' E, 2882 m).

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.

Pure spinor superspace identities for massless four-point kinematic factors

Using the pure spinor formalism we prove identities which relate the tree-level, one-loop and two-loop kinematic factors for massless four-point amplitudes. From these identities it follows that the complete supersymmetric one- and two-loop amplitudes are immediately known once the tree-level kinematic factor is evaluated. In particular, the two-loop equivalence with the RNS formalism (up to an overall coefficient) is obtained as a corollary.

Four-point one-loop amplitude computation in the pure spinor formalism

The massless 4-point one-loop amplitude computation in the pure spinor formalism is shown to agree with the computation in the RNS formalism. © SISSA 2006.

The 100th anniversary of the four-point probe technique: the role of probe geometries in isotropic and anisotropic systems

The electrical conductivity of solid-state matter is a fundamental physical property and can be precisely derived from the resistance measured via the four-point probe technique excluding contributions from parasitic contact resistances. Over time, this method has become an interdisciplinary characterization tool in materials science, semiconductor industries, geology, physics, etc, and is employed for both fundamental and application-driven research. However, the correct derivation of the conductivity is a demanding task which faces several difficulties, e.g. the homogeneity of the sample or the isotropy of the phases. In addition, these sample-specific characteristics are intimately related to technical constraints such as the probe geometry and size of the sample. In particular, the latter is of importance for nanostructures which can now be probed technically on very small length scales. On the occasion of the 100th anniversary of the four-point probe technique, introduced by Frank Wenner, in this review we revisit and discuss various correction factors which are mandatory for an accurate derivation of the resistivity from the measured resistance. Among others, sample thickness, dimensionality, anisotropy, and the relative size and geometry of the sample with respect to the contact assembly are considered. We are also able to derive the correction factors for 2D anisotropic systems on circular finite areas with variable probe spacings. All these aspects are illustrated by state-of-the-art experiments carried out using a four-tip STM/SEM system. We are aware that this review article can only cover some of the most important topics. Regarding further aspects, e.g. technical realizations, the influence of inhomogeneities or different transport regimes, etc, we refer to other review articles in this field.

Modification of the in vivo four-point loading model for studying mechanically induced bone adaptation

We modified the noninvasive, in vivo technique for strain application in the tibiae of rats (Turner et al,, Bone 12:73-79, 1991), The original model applies four-point bending to right tibiae via an open-loop, stepper-motor-driven spring linkage, Depending on the magnitude of applied load, the model produces new bone formation at periosteal (Ps) or endocortical surfaces (Ec.S). Due to the spring linkage, however, the range of frequencies at which loads can be applied is limited. The modified system replaces this design with an electromagnetic vibrator. A load transducer in series with the loading points allows calibration, the loaders' position to be adjusted, and cyclic loading completed under load central as a closed servo-loop. Two experiments were conducted to validate the modified system: (1) a strain gauge was applied to the lateral surface of the right tibia of 5 adult female rats and strains measured at applied loads from 10 to 60 N; and (2) the bone formation response was determined in 28 adult female Sprague-Dawley rats. Loading was applied as a haversine wave with a frequency of 2 Hz for 18 sec, every second day for 10 days. Peak bending loads mere applied at 33, 40, 52, and 64 N, and a sham-loading group tr as included at 64 N, Strains in the tibiae were linear between 10 and 60 N, and the average peak strain at the Ps.S at 60 N was 2664 +/- 250 microstrain, consistent with the results of Turner's group. Lamellar bone formation was stimulated at the Ec.S by applied bending, but not by sham loading. Bending strains above a loading threshold of 40 N increased Ec Lamellar hone formation rate, bone forming surface, and mineral apposition rate with a dose response similar to that reported by Turner et al, (J Bone Miner Res 9:87-97, 1994). We conclude that the modified loading system offers precision for applied loads of between 0 and 70 N, versatility in the selection of loading rates up to 20 Hz, and a reproducible bone formation response in the rat tibia, Adjustment of the loader also enables study of mechanical usage in murine tibia, an advantage with respect to the increasing variety of transgenic strains available in bone and mineral research. (Bone 23:307-310; 1998) (C) 1998 by Elsevier Science Inc. All rights reserved.

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.

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.

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.

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.

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.

Four-point amplitude from open superstring field theory

An open superstring field theory action has been proposed which does not suffer from contact term divergences. In this paper, we compute the on-shell four-point tree amplitude fi om this action using the Giddings map. After including contributions from the quartic term in the action, the resulting amplitude agrees with the first-quantized prescription. (C) 2000 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.