Análise numérica da influência do Taper na resistência de juntas coladas

Abstract

O objetivo principal desta presente dissertação consistiu na análise numérica da influência do taper na resistência mecânica de juntas coladas de sobreposição simples com substrato de Alumínio 5083-H111 e adesivo de epóxido, denominado de Araldite® 420A/B, submetidas a ensaios de tração/corte. O estudo centrou-se na modelação de modelos geométricos de provetes sem taper, com taper no alumínio, taper invertido e taper no adesivo para ângulos de taper de 30º, 45º, e 60º, usando o programa comercial de elementos finitos ADINA. A combinação de elementos sólidos com elementos coesivos de interface demonstrou boa concordância na previsão da resistência máxima e dos modos de rotura adesiva, quando comparados com os resultados experimentais. Estes resultados foram convertidos em valores de força específica para termos de comparação ponderal. De forma a complementar este estudo foi analisada a distribuição das tensões de corte e arrancamento nas zonas de contacto entre o substrato e o adesivo, bem como as deformações globais longitudinais originadas pelo carregamento imposto. A distribuição de tensões analisada permitiu prever a ocorrência da iniciação do dano nas interfaces e a influência na sua resistência. Observou-se que o dano surgiu devido à concentração de tensões geradas nas extremidades da sobreposição dos tapers e nas extremidades de sobreposição entre substratos. Por último, uma análise de sensibilidade dos parâmetros coesivos foi realizada de forma a compreender a influência de cada um dos parâmetros nas geometrias dos provetes estudados, concluindo que a maioria das geometrias foram insensíveis a uma variação inferior a ±25% para as taxas de libertação de energia critica e −10% para as tensões limite interfaciais, aproximadamente. Com o estudo da força específica dos provetes com diferentes ângulos de taper, dos parâmetros coesivos e da distribuição de tensões conclui-se que uma geometria com taper invertido a 30o deve ser a solução a adotar para a obtenção da resistência máxima.

The main objective of this dissertation consisted in the numerical analysis of the influence of the taper on the mechanical strength of the single-lap bonded joint with Aluminum 5083-H111 substrate and epoxy adhesive called Araldite® 420A/B subjected to tensile/shear tests. The study focused on the modeling of geometric models of specimens without taper, with taper aluminum, inverted taper and taper in the adhesive to taper angles of 30o, 45o and 60o, using the finite elements commercial program ADINA. The combination of solid elements with cohesive interface elements showed good concordance in predicting the maximum strength and adhesive failure modes when compared with the experimental results. These results were converted to specific strength values for terms of weight comparison. To complement this study, the distribution of shear and peel stress in the contact zones between the substrate and the adhesive was analysed as well as the global longitudinal strain created by forced loading. The stress distributions analysis allowed to predict the occurrence of the initiation of the damage at the interface and the influence on its strength. It was verified that the damage occurred due to the concentration of stress generated at the edges of the overlaps of tapers and in the edges of overlaps between substrates. Finally, a sensitivity analysis of cohesive parameters was performed in order to understand the influence of each parameter in the geometry of the specimens studied, concluding that the majority of the geometries were insensitive to a variation less than ±25% to the critical energy release rates and –10% to the limit interfacial stress, approximately. In the study of the specific strength of the specimen with different taper angles, of the cohesive parameters and the distribution of stresses, it was concluded that a geometry with an inverted taper at 30o is the solution to adopt in order to obtain maximum resistance.