Αριθμητική και πειραματική διερεύνηση της αστοχίας συνδέσεων με κόλλα σύνθετων υλικών με μηχανισμούς διακοπής της αποκόλλησης με έμφαση στην προσομοίωση της εξέλιξης της αποκόλλησης σε κόπωση

Abstract

In the present thesis, a numerical and experimental investigation of composite bonded joints failure with crack stopping mechanisms was performed based on Cohesive Zone Modeling method for the simulation of debonding in composite bonded joints under fatigue loads. The crack stopping mechanisms that were studied was the corrugation, which belongs to the category of geometry modifications and bolts which belong to the category of through-the-thickness reinforcements. Part of the thesis was implemented in the framework of the European research project BOPACS.Initially, an extensive experimental campaign was performed for the characterization of the adhesive joints and the export of input parameters and validation data for the numerical models. The campaign contains Mode-I fracture toughness tests under pseudo-static and dynamic loads using Double Cantilever Beam specimens, Mode-II fracture toughness tests using under pseudo-static and dynamic loads using End Notched flexure tests, Mixed-mode I+II fracture toughness tests under pseudo-static loads and tensile axial loading of Cracked Lap Shear specimen under pseudo-static and dynamic loads. Supplementary to the aforementioned mechanical tests, in the present thesis, experimental results of tests performed by partners in BOPACS were used.The adhesive joints that were studied in the present thesis consist of CFRP plates and epoxy adhesive either film or paste adhesive. For the debonding simulation, Cohesive Zone Model method and Virtual Crack Closure Technique which have been successfully used in simulation of delamination of composite joints, were chosen. For the development of the Finite Elements models and the analyses, the commercial codes ΑNSYS and LS-DYNA were utilized. Where necessary, apart from the debonding simulation, the damage of the composite plates was simulated using progressive damage modeling method. This method implements an enriched group of Hashin-type criteria and a gradual degradation method which is based on strain softening.In the present thesis, for the simulation of the dobonding growth under fatigue loading, was developed a modified Cohesive Zone Model method which is based on the gradual degradation of the strength of the cohesive elements according to the elapsed fatigue cycles. Two degradation methodologies were developed; the first one is based on the fully developed cohesive zone and the second one on the effective element length. The second one has the advantage that is less mesh dependent. For the implementation of the modified Cohesive Zone Model method for fatigue loading, a parametric user-defined subroutine was created in LS-DYNA (MAT_USER_DEFINED_MATERIAL_MODEL) using Fortran programming language. The subroutine was created parametrically in order to be easily applied in bonded joints of different geometry and materials. All numerical models concerning specimens and structural elements were validated by comparing the numerical results from pseudostatic and dynamic analyses (fatigue and impact) to experimental results. The comparison was performed by means of load-displacement curves, debonding growth, strains and debonded area from impact loading. In all cases, good agreement was observed.Using the numerical models, the effectiveness of two debonding stopping features was studied and parametric analyses were performed concerning their geometric feutures.Concerning corrugation feature, numerical results revealed that in case of double cantilever beam (Mode-I loading) under pseudo-static loading, debonding growth is stopped in the area of corrugation. Furthermore, the results of the parametric study showed that there is not important influence of the diameter and the height of the corrugation in debonding growth stopping capability. However, corrugation is considered inefficient due to the fact that pseudo-static analyses and fatigue experiments in cracked-lap shear specimen showed debonding initiation and catastrophic failure on the area of corrugation in the early stages of loading.The bolt mechanism was at first studied in cracked-lap shear specimen with one bolt under pseudo-static and dynamic loads. In both cases the analyses showed important debonding retardation in debonding growth in the area of bolt. Based on these positive results the study extended to the structural element of the wide single lap shear. Initially, in the structural element considered artificial initial debonding defect. Two rows of bolts were modeled, each one at a distance from the edge of the defect. For all studied cases, numerical results showed that the presence of bolts has an important influence in debonding retardation which leads to increased maximum load and maximum applied displacement of the joint. The influence of bolts is greater as its position is closer to the edge of the artificial initial defect. Afterwards, in order to examine a more realistic scenario of initial defect, a low velocity impact simulation was performed. In this case, since bolts were quite away from initial defect and the debonding growth was very fast the presence of the bolt had not important influence in debonding growth that was created under impact loading. From the results of the study concerning hybrid joints, arises that bolts could be a promising debonding stopping feature in adhesive joints.The main innovation of the present thesis is located on the development of a numerical methodology for the simulation of debonding growth and estimation of the residual strength of composite bonded joints of structural elements under pseudo-static and dynamic loads (fatigue and impact). The methodology was successfully applied in complex geometry joints with debonding stopping features and can be applied in different joint geometry and adhesive/adherent materials.

Στην παρούσα Διδακτορική διατριβή, πραγματοποιήθηκε αριθμητική και πειραματική διερεύνηση της αστοχίας συνδέσεων με κόλλα συνθέτων υλικών με μηχανισμούς διακοπής της αποκόλλησης και αναπτύχθηκε νέα αριθμητική μεθοδολογία με βάση τη Μέθοδο Ζώνης Συνοχής για την προσομοίωση της αποκόλλησης σε φόρτιση κόπωσης. Η μεθοδολογία εφαρμόστηκε σε συνδέσεις με κόλλα με μηχανισμούς διακοπής της αποκόλλησης. Οι μηχανισμοί διακοπής της αποκόλλησης που μελετήθηκαν είναι η αυλάκωση, η οποία ανήκει στην κατηγορία των γεωμετρικών τροποποιήσεων, και οι κοχλίες σύσφιξης, οι οποίοι ανήκουν στην κατηγορία των ενισχύσεων κατά το πάχος. Ένα μεγάλο τμήμα της Διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του Ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος BOPACS.Αρχικά, πραγματοποιήθηκε ένα εκτενές πειραματικό πρόγραμμα για τον χαρακτηρισμό των συνδέσεων με κόλλα και την εξαγωγή παραμέτρων εισόδου δεδομένων επαλήθευσης των αριθμητικών μοντέλων. Το πρόγραμμα περιλαμβάνει δοκιμές δυσθραυστότητας τύπου-Ι υπό ψευδοστατικά και δυναμικά φορτία με χρήση του δοκιμίου διπλής προβόλου δοκού, δοκιμές δυσθραυστότητας τύπου-ΙΙ υπό ψευδοστατικά και δυναμικά φορτία με χρήση του δοκιμίου κάμψης με εγκοπή στο άκρο, δοκιμές δυσθραυστότητας μικτού τύπου Ι+ΙΙ υπό ψευδοστατικά φορτία με χρήση του δοκιμίου φόρτισης μικτού τύπου Ι+ΙΙ και δοκιμές αξονικού εφελκυσμού σε δοκίμια με πλάκες διαφορετικού μήκους υπό ψευδοστατικά και δυναμικά φορτία. Συμπληρωματικά στις παραπάνω δοκιμές, στην παρούσα εργασία, χρησιμοποιήθηκαν αποτελέσματα από δοκιμές που διεξήχθησαν από συνεργάτες του προγράμματος BOPACS.Οι συνδέσεις με κόλλα, οι οποίες μελετήθηκαν στην παρούσα εργασία, αποτελούνται από πλάκες από υλικό CFRP και εποξική κόλλα είτε τύπου-φιλμ είτε τύπου-πάστας. Για την προσομοίωση της εξέλιξης της αποκόλλησης επιλέχθηκαν οι θεωρίες της Μεθόδου Ζώνης Συνοχής και της Τεχνικής Εικονικού Κλεισίματος της Ρωγμής οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για την προσομοίωση της διαστρωματικής αποκόλλησης σε πολύστρωτες πλάκες. Για την ανάπτυξη των μοντέλων πεπερασμένων στοιχείων των συνδέσεων και τη διεξαγωγή των αναλύσεων, χρησιμοποιήθηκαν οι εμπορικοί κώδικες ANSYS και LS-DYNA. Όπου κρίθηκε απαραίτητο, παράλληλα με την προσομοίωση της αποκόλλησης, προσομοιώθηκε και η βλάβη στο σύνθετο υλικό με χρήση της μεθόδου προοδευτικής εξέλιξης της βλάβης. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή, η μέθοδος χρησιμοποιεί μια εμπλουτισμένη ομάδα κριτηρίων αστοχίας τύπου-Hashin και μια μέθοδο σταδιακής υποβάθμισης των ιδιοτήτων που βασίζεται στη χαλάρωση της παραμόρφωσης.Στην παρούσα εργασία, για την προσομοίωση της εξέλιξης της αποκόλλησης σε κόπωση αναπτύχθηκε μια τροποποιημένη Μέθοδος Ζώνης Συνοχής η οποία βασίζεται στη σταδιακή υποβάθμιση της αντοχής των στοιχείων συνοχής συναρτήσει των κύκλων κόπωσης. Αναπτύχθηκαν δύο μεθοδολογίες υποβάθμισης της αντοχής των στοιχείων συνοχής, μία με βάση την πλήρως ανεπτυγμένη ζώνη συνοχής και μία με βάση το ενεργό μήκος του στοιχείου. Η δεύτερη μέθοδος εμφανίζει το πλεονέκτημα έναντι της πρώτης της μικρότερης συσχέτισης με την πυκνότητα του πλέγματος της κόλλας. Για την υλοποίηση της τροποποιημένης Μεθόδου Ζώνης Συνοχής για δυναμική φόρτιση, προγραμματίστηκε παραμετρική υπο-ρουτίνα στον κώδικα LS-DYNA (MAT_USER_DEFINED_MATERIAL_MODEL) χρησιμοποιώντας τη γλώσσα προγραμματισμού Fortran. Η ρουτίνα αναπτύχθηκε με παραμετρικό τρόπο ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί με ευκολία σε συνδέσεις διαφορετικής γεωμετρίας και υλικού κόλλας.Όλα τα αριθμητικά μοντέλα των δοκιμίων και των δομικών στοιχείων επαληθεύτηκαν μέσω σύγκρισης των αριθμητικών αποτελεσμάτων από ψευδοστατικές και δυναμικές αναλύσεις (κόπωση και κρούση) με πειραματικά αποτελέσματα. Η σύγκριση έγινε σε όρους καμπυλών δύναμης-μετατόπισης, ρυθμού εξέλιξης της αποκόλλησης, επιφανειακών παραμορφώσεων και έκτασης βλάβης κρούσης. Σε όλες τις περιπτώσεις, παρατηρήθηκε ικανοποιητική συμφωνία.Χρησιμοποιώντας τα αριθμητικά μοντέλα, μελετήθηκε η αποτελεσματικότητα δύο μηχανισμών διακοπής της αποκόλλησης και πραγματοποιήθηκαν παραμετρικές αναλύσεις ως προς τα γεωμετρικά τους χαρακτηριστικά.Για τον μηχανισμό της αυλάκωσης, οι αναλύσεις έδειξαν ότι στην περίπτωση του δοκιμίου διπλής προβόλου δοκού (φόρτιση τύπου-Ι) υπό ψευδοστατικό φορτίο, η εξέλιξη της αποκόλλησης διακόπτεται στην περιοχή της αυλάκωσης. Επίσης, τα αποτελέσματα της παραμετρικής ανάλυσης έδειξαν ότι δεν υπάρχει σημαντική επίδραση της διαμέτρου και του ύψους της αυλάκωσης στον ρυθμό της διακοπής της αποκόλλησης. Ωστόσο, ο μηχανισμός της αυλάκωσης κρίνεται συνολικά μη αποδοτικός λόγω του ότι ψευδοστατικές αναλύσεις και δοκιμές κόπωσης σε δοκίμια με πλάκες διαφορετικού μήκους (φόρτιση τύπου Ι+ΙΙ) έδειξαν έναρξη της αποκόλλησης και καταστροφική αστοχία των πλακών από σύνθετο υλικό στην περιοχή της αυλάκωσης στα πρώτα στάδια της φόρτισης.Ο μηχανισμός των κοχλιών σύσφιξης μελετήθηκε αρχικά στο δοκίμιο πλακών διαφορετικού μήκους με έναν κοχλία υπό ψευδοστατικά και δυναμικά φορτία. Και στις δύο περιπτώσεις φόρτισης, οι αναλύσεις έδειξαν σημαντική επιβράδυνση της εξέλιξης της αποκόλλησης στην περιοχή του κοχλία. Με βάση αυτά τα θετικά αποτελέσματα, η μελέτη επεκτάθηκε στο δομικό στοιχείο της σύνδεσης με κόλλα μονής επικάλυψης μεγάλου πλάτους. Αρχικά, στο δομικό στοιχείο θεωρήθηκε τεχνητή αρχική αποκόλληση. Μοντελοποιήθηκαν δύο σειρές κοχλιών, μία σε κάθε πλευρά της αρχικής αποκόλλησης. Για όλες τις περιπτώσεις που μελετήθηκαν, τα αριθμητικά αποτελέσματα έδειξαν σημαντική επιβράδυνση της εξέλιξης της αποκόλλησης λόγω της παρουσίας των κοχλιών, η οποία οδηγεί σε αύξηση του μέγιστου φορτίου και της μέγιστης εφαρμοζόμενης μετατόπισης της σύνδεσης. Η επίδραση των κοχλιών είναι μεγαλύτερη όσο πιο κοντά βρίσκονται στην αρχική αποκόλληση. Στη συνέχεια, με σκοπό την εξέταση ενός πιο ρεαλιστικού σεναρίου αρχικής αποκόλλησης, έγινε προσομοίωση κρούσης χαμηλής ταχύτητας στη σύνδεση. Σε αυτήν την περίπτωση, λόγω του ότι οι κοχλίες βρίσκονταν αρκετά μακριά από την αρχική αποκόλληση και η εξέλιξη της αποκόλλησης ήταν πολύ γρήγορη, η παρουσία των κοχλιών δεν είχε σημαντική επίδραση στην εξέλιξη της αποκόλλησης που είχε προκληθεί από την κρούση. Από τα αποτελέσματα της μελέτης για τις υβριδικές συνδέσεις προκύπτει ότι οι κοχλίες σύσφιξης αποτελούν έναν υποσχόμενο μηχανισμό διακοπής της αποκόλλησης σε συνδέσεις με κόλλα.Η βασική καινοτομία της παρούσας διατριβής εντοπίζεται στην ανάπτυξη αριθμητικής μεθοδολογίας για την προσομοίωση της αποκόλλησης και εκτίμηση της εναπομένουσας αντοχής συνδέσεων με κόλλα δομικών στοιχείων από σύνθετα υλικά υπό ψευδοστατικά και δυναμικά φορτία (κόπωση και κρούση). Η μεθοδολογία εφαρμόστηκε με επιτυχία σε συνδέσεις πολύπλοκης γεωμετρίας με μηχανισμούς διακοπής της αποκόλλησης, ενώ μπορεί να εφαρμοστεί σε συνδέσεις με κόλλα διαφορετικής γεωμετρίας και διαφορετικών υλικών κόλλας και συνδεόμενων μερών.