Analysis and design of composite - to - metal adhesively bonded joints

Abstract

This work is based on the development of numerical tools for the computational analysis of engineering structures that involve adhesion problems, that is interface and interphase problems. The proposed numerical tools are implemented within the framework of non-linear Finite Element Methods (FEM) and are developed so as to be utilized by design engineers and researchers for the design and analysis of adhesively bonded joints and composite structures. Initially, a Progressive Failure Model (PFM) is developed and applied to predict the behaviour of an experimentally tested blade-stiffened panel found in the literature. The developed PFM has been implemented in non-linear finite element analysis procedures under the framework of the commercial software Ansys. Failure initiation and failure propagation as well as the post buckling ultimate attained load have been numerically evaluated. Final failure behaviour of the simulated stiffened panel is due to sudden global failure, as concluded from comparisons between numerical and experimental results being in good agreement. In the following, particular focus has been given initially in the study of the failure mechanisms that evolve during the pure mode delamination propagation in fiber reinforced composite materials (interface problems) and later in the study of the mixed-mode loading and fracture of adhesively bonded joints (interphase problems). The proposed numerical tools involve novel constitutive relations that describe the aforementioned phenomena and are based on fracture and damage mechanics, in accordance to Cohesive Zone Modeling (CZM) techniques. Initially, a continuum damage constitutive model is presented for the prediction of the in-plane failure modes of laminated composite materials. In the following, new cohesive laws are developed for the prediction of delamination initiation and propagation under Mode I and Mode II loading and fracture in fibrous laminated composite materials. Having provided numerical predictions of the failure response of composite materials, the next research activity is focused on providing constitutive relations for the predictions of structural adhesively bonded joints. The proposed constitutive relations, are validated with tests conducted on steel-to-steel and steel-to-composite adhesive joint geometries that involve flat adherents. Next, a numerical parametric study, that involves axisymmetric adhesive joints (tubular cases), has been conducted, showing the potential of the proposed numerical tool. In conclusion, the present PhD thesis provides separate numerical tools that can be combined for the prediction of the failure response of structures that involve composite materials and adhesive joints.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή βασίζεται στην ανάπτυξη αριθμητικών εργαλείων που αποσκοπούν στην υπολογιστική προσομοίωση με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, κατασκευών που αποτελούνται από σύνθετα ή/και μεταλλικά υλικά συνδεδεμένα μεταξύ τους με κολλητικά μέσα. Σκοπός των προτεινόμενων εργαλείων είναι η χρήση αυτών από σχεδιαστές και αναλυτές μηχανικούς. Αρχικά αναπτύχθηκε ένα μοντέλο Ανάλυσης Διαδοχικών Αστοχιών (ΑΔΑ) το οποίο είναι ικανό να προβλέψει τις πιθανές εντός επιπέδου αστοχίες που συμβαίνουν σε πολύστρωτα σύνθετα υλικά. Στο πλαίσιο μιας κυκλικής διαδικασίας, εντοπίζονται οι πιθανές συνεπίπεδες αστοχίες, με χρήση κριτηρίων αστοχίας, και εν συνεχεία υποβαθμίζονται οι ελαστικές ιδιότητες του εν λόγω πεπερασμένου στοιχείου κατά προοδευτικό τρόπο. Το αριθμητικό εργαλείο ΑΔΑ χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση ενός πειράματος που πάρθηκε από την διεθνή βιβλιογραφία και αφορά ένα ενισχυμένο πάνελ με ενισχυτικά τύπου "λεπίδες" σε αξονικά θλιπτικά φορτία. Η σύγκριση αριθμητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων μας οδήγησε στο συμπέρασμα πως το εν λόγω μοντέλο είναι ικανό να προβλέψει με ικανοποιητική ακρίβεια το φορτίο έναρξης αστοχιών και την αντοχή του πάνελ. Εν συνεχεία, μελετήθηκαν τόσο πειραματικά όσο και αριθμητικά τα φαινόμενα που διέπουν μια διαστρωματική αποκόλληση πολύστρωτου ινώδους σύνθετου υλικού σε φόρτιση και θραύση Τύπου Ι και ΙΙ. Τέτοιου είδους φαινόμενα είναι η περιοχή "γεφύρωσης ινών" που δημιουργείται πίσω από το άκρο της ρωγμής και η cohesive zone που αναπτύσσεται μπροστά από το άκρο της ρωγμής. Τα προτεινόμενα μοντέλα προσομοιώνουν και τα δύο αυτά φαινόμενα και διατυπώθηκαν κατά τρόπο ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε αριθμητικές προσομοιώσεις πεπερασμένων στοιχείων για την πρόβλεψη της έναρξης και της διάδοσης διαστρωματικών αστοχιών. Το τελευταίο μέρος της διατριβής επικεντρώνεται στην ανάπτυξη καταστατικών σχέσεων πεπερασμένων στοιχείων διεπιφάνειας που περιγράφουν ένα λεπτό φιλμ όλκιμου κολλητικού μέσου. Τα εν λόγω μοντέλα χρησιμοποιήθηκαν για την πρόβλεψη της ολικής συμπεριφοράς και της μεικτού - τύπου φόρτισης και αστοχίας συνδέσεων με κολλητικά μέσα απλής και διπλής επικάλυψης, οι οποίες χαρακτηρίστηκαν πειραματικά. Η σύγκριση πειραματικών και αριθμητικών αποτελεσμάτων οδήγησε στο συμπέρασμα πως τα προτεινόμενα μοντέλα αποτελούν σημαντικά εργαλεία για την ορθή πρόβλεψη συνδέσεων με κολλητικά μέσα. Εν κατακλείδι, η παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνει πρωτότυπους νόμους (καταστατικές σχέσεις) για την αριθμητική προσομοίωση προβλημάτων κόλλησης (adhesion problems).