Evaluation of the effects of defects and ageing on the strength of composite bonded joints by mechanical tests and numerical simulation: implementation of the novel centrifuge test

Abstract

The use of adhesive bonding in aircraft structures is continuously increasing due to the numerous advantages it provides over conventional joining techniques. However, the use of adhesive bonding technology is limited to joining and patch-repairing of secondary structures that are not load-critical, as the existing airworthiness certification requirements allow the use of adhesive bonding in combination with mechanical fasteners for primary structures. According to these requirements, for any bonded joint, the failure of which would result in catastrophic loss of the airplane, the limit load capacity must be substantiated by one of the following methods: 1. the maximum disbonds of each bonded joint consistent with the capability to withstand the loads must be determined by analysis tests, or both. Disbonds of each bonded joint greater than this must be prevented by design features or 2. proof testing must be conducted on each production article that will apply the critical limit design load to each critical bonded joint or 3. repeatable and reliable nondestructive inspection techniques must be established that ensure the strength of each joint. The 2nd and 3rd means of compliance were the subject researched in the present PhD dissertation, which was part of the ComBoNDT European research project (Quality assurance concepts for adhesive bonding of aircraft composite structures by advanced NDT). The main objective of the present thesis was two-folded: (a) to evaluate experimentally the detailed effects of contamination scenarios related to the production and repair processes as well as the effects of hygrothermal ageing on the strength of composite bonded joints and repairs, and (b) to investigate the potential of the novel centrifuge testing method to characterize strength of bonded joints and to capture the effects of contamination. To meet this objective, the subsequent specific objectives have been defined: •Experimental characterization of the fracture toughness (Mode-I and Mode-II) of pre-bond contaminated composite bonded joints. •Experimental characterization of the combined effect of pre-bond contamination and hygrothermal ageing on the Mode-II fracture toughness of composite bonded joints. •Characterization of the effect of pre-bond contamination on the lap-shear strength of scarf composite bonded joints. •Characterization of the effect of hygrothermal ageing on the bulk mechanical properties of the adhesive and the CFRP adherends. •Centrifuge testing of reference and pre-bond contaminated composite-to-metal bonded joints. •Application of a thorough methodology for the interpretation of the experimental results and the evaluation of the effects of pre-bond contamination and hygrothermal ageing on the strength of composite bonded joints by exploiting data from NDT and E-NDT (Extended-NDT) methods. •Upscale of the effects of pre-bond contamination to bonded CFRP parts by numerical simulation. •Development of a numerical model based on explicit FE simulation to simulate the centrifuge testing process and to apply the model to assess the role of loading, material and geometric parameters on the predicted adhesion strength. As conditions on the aircraft production line and in the maintenance/overhaul shed are different, defects are categorized as either production-related or repair-related: Moisture (production), Fingerprint (production & repair), Release agent (production), release agent + Fingerprint (production), Faulty curing (repair), Thermal degradation (repair), De-icing fluid (repair), De-icing fluid + Fingerprint (repair). For each scenario, three different levels of contamination were pre-set and applied, namely low, medium and high level. These contaminants cause weak bonds which are not detectable by the conventional NDT methods. The experiments were conducted following the requirements of international standard procedures in order to obtain reliable and consistent results; except from the centrifuge testing which is yet to be standardized. The experimental results were evaluated by implementing a methodology comprising the pre-bond contamination procedure, the statistical analysis methods and the data from the conventional and extended NDT (namely X-ray photoelectron spectroscopy, Optically Stimulated Electron Emission, Laser Induced Breakdown Spectroscopy, Computed Tomography and Ultrasonic Inspection). For most of the investigated disturbances, a significant reduction of the mode-I and mode-II fracture toughness of the CFRP bonded joints was found. The reduction of the bond performance was greater under mode-II loading than under mode-I loading. The above results were also endorsed by the ANOVA statistical analysis and the failure surface characterization. The NDT and ENDT experimental results, added to the fracture toughness results by confirming the presence of the contamination on the CFRP adherend surface and on the bondline. After-bond hygrothermal ageing under the prescribed conditions had no significant influence on the moisture absorption and load caring capacity of the joint as well as of the bulk adhesive. However, it influenced the fracture toughness of the CFRP adherends and the bondline integrity as it led to a drastic reduction of the mode-II fracture toughness of the CFRP sample and of the joint, respectively. These findings lead to the conclusion that the combined effect of the pre-bond contamination and after-bond exposure to hygrothermal environment is more detrimental than each contamination separately and can affect mainly either the CFRP adherend or/and the interface between the adhesive and the adherend. Furthermore, the results of the tensile mechanical testing revealed that the thermal impact enhances the joint performance, whilst the additional presence of deicing fluid lead to a reduction of the lap-shear strength. Additionally, the adhesion strength values measured by the centrifuge tests compare very well with both the fracture toughness tests and the adhesion strength values measured by the established and standardized butt joint test. This indicates that the centrifuge testing technology shows a great potential to be established as a test method for the characterization of pristine and defected bonded joints as it is a fast testing process which generates repeatable tests capable of describing the strength of the joints. Numerical simulation of a composite panel stiffened with two T-stringers under compression was performed using the LS-DYNA FE platform in order to upscale the investigation of the effect of the contamination on realistic structural parts. The debonding growth was simulated using the CZM method and the parameters (GIC and GIIC values) used in the model of the panel were those of the contaminated bonded coupons measured experimentally. The comparison concerning the maximum load for the contamination scenarios showed that all contamination scenarios had a negative influence on the load bearing capacity of the stiffened panel.Finally, the present thesis focused also on the development of a FE model in order to simulate the behavior of composite-to-metal adhesive joints loaded under centrifugal force. The debonding growth was simulated using the CZM method. A parametric/convergence study was performed to assess the effect of the explicit analysis time and select the optimum analysis time. Overall, the model presented adequate accuracy and agreement with the experimental results, simulating effectively the centrifuge experiment and contributing to its optimization by conducting parametric analyses different adhesive area and thickness values. The numerical results showed that there is a small effect of bondline area, while there is a significant effect of adhesive thickness. Specifically, increase of the adhesive thickness lead to a considerable decrease of adhesion strength.

Παρ’ ότι η σύνδεση με κόλλα σε δευτερεύουσες δομές αποτελεί συνηθισμένη πρακτική σήμερα στις αεροναυπηγικές κατασκευές από σύνθετα υλικά, οι κανονισμοί των οργανισμών αξιοπλοΐας (EASA και FAA), δεν επιτρέπουν τη σύνδεση κύριων δομικών στοιχείων μόνο με χρήση κόλλας χωρίς την ύπαρξη μηχανικής σύνδεσης. Σύμφωνα με τους παραπάνω οργανισμούς, υπάρχουν τρία Μέσα Συμμόρφωσης (Means of Compliance) μέσω των οποίων μπορεί να αποδειχτεί ότι η σύνδεση με κόλλα έχει την ικανότητα να φέρει με ασφάλεια τα απαιτούμενα φορτία: 1. Η σχέση της μέγιστης αποκόλλησης της σύνδεσης με την ικανότητα της να φέρει φορτία πρέπει να καθορίζεται με ανάλυση, μηχανικές δοκιμές ή συνδυασμό τους. Η αποκόλληση της κάθε σύνδεσης πέρα από την προκαθορισμένη έκταση πρέπει να αποφεύγεται με σχεδιαστικά χαρακτηριστικά. 2. Ο εκτενής πειραματικός χαρακτηρισμός της σύνδεσης και απόδειξη της ικανότητας να φέρει το μέγιστο φορτίο για το οποίο σχεδιάστηκε. 3. Η εφαρμογή μη καταστροφικών ελέγχων για τον έλεγχο επιφάνειας κόλλησης έτσι ώστε να διασφαλίζεται η αντοχή της σύνδεσης. Τα Μέσα Συμμόρφωσης 2 και 3 αποτέλεσαν το αντικείμενο του Ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος ComBoNDT (Quality assurance concepts for adhesive bonding of aircraft composite structures by advanced NDT) στο πλαίσιο του οποίου πραγματοποιήθηκε μεγάλο μέρος της Διδακτορικής διατριβής. Οι βασικοί στόχοι της παρούσης διατριβής είναι (α) Ο πειραματικός προσδιορισμός της επίδρασης ατελειών, της υποβάθμισης της ποιότητας της επιφάνειας της κόλλησης και της υγροθερμικής γήρανσης, που προκαλούνται κατά τη διαδικασία της παραγωγής ή της επισκευής αεροπορικών κατασκευών από σύνθετα υλικά, στην αντοχή συνδέσεων με κόλλα και (β) Η εφαρμογή και αξιολόγηση του καινοτόμου πειράματος της φυγοκέντρισης για τον χαρακτηρισμό της αντοχής κόλλησης συνδέσεων με κόλλα και τη μελέτη της επίδρασης ατελειών και της υποβάθμισης της επιφάνειας της κόλλησης. Για την υλοποίηση των παραπάνω βασικών στόχων, εκτελέστηκαν οι παρακάτω επιμέρους στόχοι: •Πειραματική μελέτη της επίδρασης της ατελούς σύνδεσης στη δυσθραυστότητα τύπου Ι και τύπου ΙΙ συνδέσεων συνθέτων υλικών με κόλλα. •Πειραματική μελέτη της συνδυασμένης επίδρασης της ατελούς σύνδεσης και της υγροθερμικής γήρανσης στη δυσθραυστότητα τύπου ΙΙ συνδέσεων συνθέτων υλικών με κόλλα. •Μελέτη της επίδρασης των ατελειών και της υποβάθμισης της ποιότητας της επιφάνειας κόλλησης στην αντοχή σε διάτμηση μονής επικάλυψης δοκιμίων υπό κλίση (επισκευή). •Μελέτη της επίδρασης της υγροθερμικής γήρανσης στις μηχανικές ιδιότητες της κόλλας. •Μελέτη της επίδρασης της υγροθερμικής γήρανσης στη δυσθραυστότητα τύπου Ι και τύπου ΙΙ της CFRP πολύστρωτης πλάκας. •Διεξαγωγή πειραμάτων φυγοκέντρισης σε συνδέσεις με κόλλα μεταλλικών και συνθέτων υλικών για τον προσδιορισμό της αντοχής κόλλησης και της επίδρασης ατελειών και της υποβάθμισης της ποιότητας της επιφάνειας της κόλλησης – σύγκριση της μεθόδου με συμβατικές πειραματικές μεθόδους. •Εφαρμογή ολοκληρωμένης μεθοδολογίας για την επεξήγηση των αποτελεσμάτων των μηχανικών δοκιμών στον πυρήνα της οποίας βρίσκονται αποτελέσματα συμβατικών και εξελιγμένων μη-καταστροφικών ελέγχων. •Διεύρυνση της επίδρασης της ατελούς σύνδεσης σε συνδέσεις με κόλλα δομικών στοιχείων από σύνθετα υλικά μέσω αριθμητικής προσομοίωσης. •Ανάπτυξη αριθμητικού μοντέλου για την προσομοίωση του πειράματος φυγοκέντρισης και την εκτίμηση των παραμέτρων φόρτισης, υλικών, και γεωμετρίας στην αντοχή κόλλησης. Τα σενάρια ανάπτυξης ατελειών και υποβάθμισης της επιφάνειας κόλλησης που εξετάστηκαν στην εργασία προέρχονται από τις διεργασίες είτε της κατασκευής ή επισκευής συνδέσεων με κόλλα συνθέτω υλικών και είναι τα ακόλουθα: Υγρασία (Κατασκευή), Δακτυλικό αποτύπωμα (Κατασκευή & Επισκευή), Αποκολλητικό υλικό (Κατασκευή), Αποκολλητικό υλικό + Δακτυλικό αποτύπωμα (Κατασκευή), Ατελής πολυμερισμός (Επισκευή), Υγρό αποπάγωσης (Επισκευή), Θερμική υποβάθμιση (Επισκευή), Θερμική υποβάθμιση + Υγρό αποπάγωσης (Επισκευή). Τα σενάρια αυτά προκαλούν ατέλειες και αλλοιώσεις οι οποίες δεν είναι ανιχνεύσιμες από συμβατικές τεχνικές μη-καταστροφικού ελέγχου, όπως οι ακουστικοί υπέρηχοι. Όλες οι μηχανικές δοκιμές διεξήχθησαν σύμφωνα με διεθνή πρότυπα εκτός από τη δοκιμή φυγοκέντρισης για την οποία δεν υπάρχει σχετικό πρότυπο. Τα αποτελέσματα των μηχανικών δοκιμών αξιολογήθηκαν με την εφαρμογή μεθοδολογίας η οποία συνδυάζει την περιγραφή της διαδικασίας μόλυνσης/αλλοίωσης της επιφάνειας πριν την κόλληση, την αποτίμηση των επιφανειών αστοχίας, τα αποτελέσματα της στατιστικής ανάλυσης ANOVA των πειραματικών αποτελεσμάτων και αποτελέσματα συμβατικών και εξελιγμένων μη-καταστροφικών ελέγχων. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν αποτελέσματα από τις ακόλουθες εξελιγμένες τεχνικές: Σάρωση Ακουστικών Υπερήχων, Φωτοηλεκτρονική Φασματοσκοπία Ακτινών Χ, Οπτικά Διεγερμένη Εκπομπή Ηλεκτρονίων, Φασματοσκοπία Πλάσματος Επαγόμενου από Λέιζερ και τη συμβατική τεχνική της Σάρωσης Ακουστικών Υπερήχων. Για τα περισσότερα σενάρια μόλυνσης/αλλοίωσης τα αποτελέσματα των μηχανικών δοκιμών έδειξαν μείωση της δυσθραυστότητας τύπου Ι και τύπου ΙΙ των συνδέσεων οι οποίες μετρήθηκε σε όρους του κρίσιμου ρυθμού απελευθέρωσης ενέργειας (GIC και GIIC). Η μείωση της δυσθραυτόστητας τύπου ΙΙ ήταν σημαντικά μεγαλύτερη. Τα αποτελέσματα των μη-καταστροφικών ελέγχων, στις περισσότερες περιπτώσεις, επιβεβαίωσαν την παρουσία ατελειών και μόλυνσης στην επιφάνειας κόλλησης και τη σύνδεση, ενώ οι επιφάνειες αστοχίας συμβαδίζουν με τις τιμές της δυσθραυστότητας. Η υγροθερμική γήρανση δεν έχει σημαντική επίδραση στις ιδιότητες της (υδροφοβικής) κόλλας και των πλακών CFRP. Ωστόσο, οδηγεί σε υποβάθμιση της δυσθραυστότητας των συνδέσεων γεγονός το οποίο αποδίδεται στην υποβάθμιση της διεπιφάνειας κόλλας/συνθέτου υλικού, κάτι το οποίο επιβεβαιώνεται και από τις επιφάνειες αστοχίας. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων στα δοκίμια μονής επικάλυψης υπό κλίση έδειξαν ότι η θερμική υποβάθμιση δεν επιδρά αρνητικά σε αντίθεση με το υγρό αποπάγωσης η παρουσία του οποίου οδηγεί σε σημαντική μείωση της αντοχής σε διάτμηση της κόλλας. Ακόμη μεγαλύτερη είναι η μείωση στην αντοχή σε διάτμηση λόγω της συνδυασμένης μόλυνση/αλλοίωσης υγρού αποπάγωσης/θερμικής υποβάθμισης. Τα αποτελέσματα των δοκιμών φυγοκέντρισης ως προς την αντοχή της κόλλησης κυμαίνονται μέσα στο εύρος των τιμών που δίνουν αντίστοιχες, ευρέως αποδεκτές στατικές δοκιμές. Επίσης, τα αποτελέσματα για τα διαφορετικά σενάρια μόλυνσης/αλλοίωσης είναι αντίστοιχα με αυτά των δοκιμών δυσθραυστότητας γεγονός που καταδεικνύει ότι η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τη μελέτη της επίδρασης της ατελούς κόλλησης στην αντοχή κόλλησης. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί μια πρώτη εκτίμηση της επίδρασης των μολύνσεων/αλλοιώσεων στην αντοχή δομικών στοιχείων από σύνθετα υλικά συνδεδεμένων με κόλλα μελετήθηκε αριθμητικά η συμπεριφορά σε θλίψη πλάκας από υλικό CFRP με κολλητές ενισχύσεις (stringers). Για την ανάλυση, αναπτύχθηκε μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων στον εμπορικό κώδικα LS-Dyna. Η αποκόλληση προσομοιώθηκε με χρήση της μεθόδου της Ζώνης Συνοχής. Η ύπαρξη μολύνσεων/αλλοιώσεων στην πλάκα μοντελοποιήθηκε μέσω της χρήσης των υποβαθμισμένων τιμών του κρίσιμου ρυθμού απελευθέρωσης ενέργειας τύπου Ι και ΙΙ που μετρήθηκαν για κάθε σενάριο από τα αντίστοιχα πειράματα δυσθραυστότητας. Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική μείωση του μέγιστου θλιπτικού φορτίου, που μπορεί να φέρει η πλάκα, εξαιτίας των ατελών συνδέσεων των ενισχύσεων. Στην παρούσα εργασία μοντελοποιήθηκε για πρώτη φορά το πείραμα φυγοκέντρισης. Για την ανάλυση, αναπτύχθηκε μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων στον εμπορικό κώδικα LS-Dyna. Η αποκόλληση προσομοιώθηκε με χρήση της μεθόδου της Ζώνης Συνοχής. Οι εκτιμήσεις του μοντέλου για την αντοχή κόλλησης είναι σε αρκετά καλή συμφωνία με τις αντίστοιχες πειραματικές τιμές γεγονός που επαληθεύει το μοντέλο. Με χρήση του μοντέλου πραγματοποιήθηκε παραμετρική μελέτη για την επίδραση του χρόνου ολοκλήρωσης, της επιφάνειας της κόλλησης και του πάχους της κόλλας. Επελέγη ο βέλτιστος χρόνος ολοκλήρωσης μέσα από μία μελέτη σύγκλισης. Τα αριθμητικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η επίδραση της επιφάνειας κόλλησης στην αντοχή της κόλλησης είναι αμελητέα, ενώ η αύξηση του πάχους της κόλλας οδηγεί σε μείωση της αντοχής κόλλησης.