Experimental and numerical study of a steel-to-composite adhesive joint under bending moments

Abstract

Οι συνδέσεις με κολλητικά μέσα χρησιμοποιούνται όλο και συχνότερα στη σύγχρονη βιομηχανία, οπότε είναι σημαντικό να μελετηθεί περαιτέρω η θραυστομηχανική συμπεριφορά τους. Στην παρούσα εργασία μελετάται η σύνδεση με κολλητικό μέσο ενός κοινού χάλυβα με ένα σύνθετο υλικό (CFRP) υπό καμπτικά φορτία. Κατασκευάστηκαν δοκίμια με γενική γεωμετρία DCB-UBM και τα πειράματα έλβαν χώρα στο Ερευνητικό Κέντρο Risø της Δανίας. Αλλάζοντας τον λόγο των εφαρμοζόμενων ροπών, επιτεύχθηκαν τρεις διαφορετικοί τρόποι διάδοσης της ρωγμής. Τα τοπικά ανοίγματα της ρωγμής μετρήθηκαν και υπολογίστηκε ο Ρυθμός Απελευθέρωσης Ενέργειας Παραμόρφωσης χρησιμοποιώντας την προσέγγιση με βάση το J-integral, οδηγώντας στην εξαγωγή των cohesive laws του κολλητικού μέσου, δηλαδή των νόμων που συνδέουν τοπικές τάσεις και μετατοπίσεις. Οι νόμοι αυτοί εισήχθησαν σε ένα μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων για να επιβεβαιωθεί η ανάλυση που ακολουθήθηκε στην εργασία. Τα αριθμητικά αποτελέσματα είναι ενθαρρυντικά για την μέτρηση των cohesive laws σε συνδέσεις ανόμοιων υλικών με κολλητικά μέσα με την παρούσα διαδικασία.

Adhesive joints are getting more and more popular in modern idustries, so their fracture mechanics need to be investigated futher.The fracture of an adhesive joint between steel and a carbon fiber reinforced plastic laminate is studied in this thesis. Double cantilever beam specimens were manufactured at NTUA and tested under uneven bending moments (DCB-UBM configuration) at the Risø National Laboratory, Denmark. Three different moment ratios were examined in order to obtain different mode mixities of crack opening, The crack openings and the energy release rate were calculated using the J-integral approach, leading to the extraction of the local traction-separation laws of the adhesive (cohesive laws). The obtained cohesive laws were then implemented in finite element models for verification. The numerical results proved the feasibility of the procedure for extracting cohesive laws from adhesive joints with dissimilar materials.