EXPERIMENTAL AND NUMERICAL STUDY OF A STEEL-TO-COMPOSITE ADHESIVE JOINT UNDER BENDING MOMENTS

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "EXPERIMENTAL AND NUMERICAL STUDY OF A STEEL-TO-COMPOSITE ADHESIVE JOINT UNDER BENDING MOMENTS"

Ισοκράτης Ταρσούλη
8 χρόνια πριν
Προβολές:

1 NATIONAL TECHNICAL UNIVERSITY OF ATHENS SCHOOL OF NAVAL ARCHITECTURE AND ARINE ENGINEERING SHIPBUILDING TECHNOLOGY LABORATORY EXPERIENTAL AND NUERICAL STUDY OF A STEEL-TO-COPOSITE ADHESIVE JOINT UNDER BENDING OENTS Andrianakis Andreas

2 Δομι τθσ Παρουςίαςθσ κοπόσ τθσ εργαςίασ. Λίγα λόγια για ςυνδζςεισ με κολλθτικά μζςα. Εξιγθςθ Cohesive Zone odel. Περιγραφι καταςκευισ δοκιμίων και πειραματικισ διαδικαςίασ. Παρουςίαςθ και επεξεργαςία αποτελεςμάτων από πειραματικι διαδικαςία. Παρουςίαςθ μοντζλου πεπεραςμζνων ςτοιχείων και παράμετροι αυτοφ. Παρουςίαςθ αποτελεςμάτων του μοντζλου και ςφγκριςθ με πειραματικά αποτελζςματα. υμπεράςματα και προτάςεισ για μελλοντικι ζρευνα.

3 κοπόσ τθσ Εργαςίασ Πειραματικι μελζτθ ςφνδεςθσ με κολλθτικό μζςο. Εξαγωγι cohesive laws Ειςαγωγι τουσ ςε Μοντζλο Πεπεραςμζνων τοιχείων Μζςω τθσ ςφγκριςθσ πειραματικϊν και αρικμθτικϊν αποτελεςμάτων κα γίνει ζλεγχοσ ορκότθτασ τθσ διαδικαςίασ

4 φνδεςθ με κολλθτικά μζςα Αρχαιότερο εφρθμα ςφνδεςθσ υλικϊν με κολλθτικό μζςο το π.χ. Σον 20 ο αιϊνα ξεκινάει θ βιομθχανικι εκμετάλλευςθ τουσ θμαντικά πλεονεκτιματα: μειωμζνο βάροσ, ςυγκόλλθςθ ανόμοιων υλικϊν, μονωτικζσ ιδιότθτεσ, πιο ομοιόμορφθ κατανομι τάςεων θμαντικά μειονεκτιματα: ειδικι προετοιμαςία επιφανειϊν, μικρότερθ αντοχι από μζταλλα, ιδιότθτεσ εξαρτϊνται ζντονα από κερμοκραςία

5 Αςτοχία ςυνδζςεων με κολλθτικά μζςα Σρεισ τρόποι ςχετικισ μετατόπιςθσ των επιφανειϊν τθσ ρωγμισ: Interfacial Failure ode I ode II ode III Cohesive Failure

6 Cohesive Zone odel Cohesive laws: νόμοι τάςεων-μετατοπίςεων σ n = σ n (δ n, δ t ) σ t = σ t (δ n, δ t ) Cohesive Law Concept σ n = σ n (δ n ) σ t = σ t (δ t ) Δυνατόσ ο υπολογιςμόσ των τάςεων μζςω του J-integral: * * n t J (, ) d (, ) d 0 n n t n 0 t n t t [Sørensen B.F., Kirkegaard P.] ode I ode II * n( n) J * t( t) * n J * t

7 Καταςκευι Δοκιμίων o Δοκίμιο DCB-UB φνδεςθ δφο ανόμοιων υλικϊν με κολλθτικό μζςο. Τλικά: CFRP 22 ςτρϊςεισ από CST200 composite material textile Ply thickness Weight CST 0.4mm 200gr/m 2 Steel Araldite 2015

8 Καταςκευι Δοκιμίων Αρχικι Γεωμετρία Δοκιμίου t CFRP t steel t adh (mm) (mm) (mm) L (mm) α (mm) w (mm)

9 Καταςκευι Δοκιμίων Vacuum Bagging Δφο πλάκεσ διαςτάςεων 485x538mm t min =7.5mm t max =10mm Young's odulus Shear odulus Poisson's ratio Προετοιμαςία των επιφανειϊν: Αμμοβολι CFRP του χάλυβα E 1 =35GPa και τρίψιμο G 12 με =2GPa γυαλόχαρτο v 12 =0.35 του CFRP. Κακαριςμόσ επιφανειϊν Eαπό 2 =E 3 =3GPa υπολείμματα G 23 ελαίων =G 13 =1.5GPa με τθν χριςθ v 23 =v 13 =0.3 αςετόν και Loctite Steel E=170GPa G=65GPa v=0.3 Σα δοκίμια κόπθκαν από τισ πλάκεσ με χριςθ water jet cutting. Adhesive E=2GPa G=0.9GPa v=0.33

10 Καταςκευι Δοκιμίων Σελικι Μζςθ Γεωμετρία Δοκιμίου t CFRP (mm) t steel (mm) t adh (mm) L(mm) α(mm) w(mm)

11 Επιςκόπθςθ πειραματικισ διαδικαςίασ Transverse Arm DCB-UB specimen [Sørensen BF, Jacobsen T.K]

12 Μετρθτικά Όργανα Δυναμόμετρο: Μζτρθςθ φορτίου P Extensometer: INSTRON , range ±2.5mm 2 LVDT: LDI 8/1 ( Ext n d )sin 5 dcos 4 Ext d2 d1 t ( d )cos 5 sin 4 2

13 Λόγοι Ροπϊν Εξετάςτθκαν τρεισ λόγοι ροπϊν με ςκοπό τθν επίτευξθ τριων διαφορετικϊν τφπων αςτοχίασ: 1. CFRP Steel 2 ode I 2. CFRP Steel 6 ixed mode 3. CFRP Steel 3.4 ode II

14 Load (kn) Αποτελζςματα Πειραμάτων CFRP Steel 2 Οι καμπφλεσ παρουςιάηουν δφο διαφορετικζσ ςτακερζσ τιμζσ. Πικανζσ αιτίεσ: 1. Αλλαγι απο cohesive failure ςε interfacial failure. 2. Μείωςθ πάχουσ κόλλασ οδιγθςε ςε αφξθςθ αντοχισ. 3. Αφξθςθ πάχουσ του CFRP Διάγραμμα Φορτίου-Μετατόπιςθσ για ode I άνοιγμα Normal Opening (mm) I-6 I-5 I-4 I-3 I-2 I-1

15 Load (kn) Load (kn) Αποτελζςματα Πειραμάτων CFRP Steel Διάγραμμα Φορτίου-Μετατόπιςθσ για ode ΙI I άνοιγμα Tangential Opening (mm) Normal Opening (mm)

16 Tangential Opening (mm) CFRP Steel 6 Αποτελζςματα Πειραμάτων φγκριςθ Μετατοπίςεων n 10 t Normal Opening (mm)

Load (kn) Load (kn) Tangential Opening (mm) Αποτελζςματα Πειραμάτων CFRP Steel 3.4 Διάγραμμα φγκριςθ Φορτίου-Μετατόπιςθσ Μετατοπίςεων για ode ΙI I άνοιγμα CFRP max 150 Nm 0.6 0.5 1.0 0.4 0.3 0.5 0.

17 Load (kn) Load (kn) Tangential Opening (mm) Αποτελζςματα Πειραμάτων CFRP Steel 3.4 Διάγραμμα φγκριςθ Φορτίου-Μετατόπιςθσ Μετατοπίςεων για ode ΙI I άνοιγμα CFRP max 150 Nm II-1 II-2 II-3 II-4 II-5 II-1 II-1 II-2 II-2 II-3 II-3 II-4 II-4 II-5 II-5 n t 2 Δεν επιτεφχκθκε ode II άνοιγμα Normal Opening 2(mm) Tangential Opening (mm) Normal Opening (mm)

18 Τπολογιςμόσ Energy Release Rate c ( ) G ( ) h I1 I2 I3 [Ostergaard R.C., Sørensen B.F.] c 2, h, I 1, I 2,I 3 = f(γεωμετρίασ, ιδιότθτεσ υλικϊν) Πλιρωσ οριςμζνα Τποκζςεισ: Γραμμικι Ελαςτικι Θεωρία (G=J) Επίπεδθ Εντατικι κατάςταςθ (plane stress) Αμελείται θ ςτρϊςθ τθσ κόλλασ

19 G (N/m) Διαγράμματα Energy Release Rate-Μετατόπιςθσ CFRP Steel ode I άνοιγμα I-1 I-2 I-3 I-4 I-5 I Normal Opening (mm)

20 G I (N/m) G II (N/m) Διαγράμματα Energy Release Rate-Μετατόπιςθσ CFRP Steel ode IΙ άνοιγμα Normal Opening (mm) Tangential Opening (mm)

21 G I (N/m) G II (N/m) Διαγράμματα Energy Release Rate-Μετατόπιςθσ CFRP Steel ode IΙ άνοιγμα II-1 II-1 II-2 II-3 II-4 II Tangential Normal Opening (mm)

22 Παρεμβολι Καμπυλϊν ode I G coh =G ss -G o ode II G coh =G ss

23 G (N/m) G (N/m) Παρεμβολι Καμπυλϊν I-1 Fitted Curve -1 Fitted Curve Equation Equationy = A1 y + = (A2-A1)/(1 A1*exp(-x/t1) + 10^((LOGx0-x)*p)) + y0 Adj. R-Squ Adj. R-Squar Value Standard Er Value Standard Err G y G A G A G A G G t1 LOGx E E-5 G p G EC Adjusted R-square > Tangential Opening (mm) Normal Opening (mm) Equation y = A1 + (A2-A1)/(1 + 10^((LOGx0-x)*p)) Equation y = A1*exp(-x/t1) + y0 Adj. R-Square Adj. R-Square Value Value A y A A LOGx t1 p EC E+00

24 Cohesive Laws-Γενικι Μορφι ode I ode II J * J t( t) * * n( n) * n t

25 Cohesive Laws CFRP Steel 2

26 Cohesive Laws CFRP Steel 6

27 Cohesive Laws CFRP Steel 3.4

28 Cohesive Laws Specimen I-1 I-2 I-3 I-4 I-5 I-6 Gss (N/m) Go (N/m) Gcoh/data (N/m) Gcoh/integrated (N/m) Percentage Difference Crit. Normal Opening (mm) σ max (Pa) G coh /data=g ss -G o G coh /integrated υπολογίηεται μζςω τθσ ολοκλιρωςθσ των καμπυλϊν των cohesive laws

29 Μοντζλο Πεπεραςμζνων τοιχείων-προεπεξεργαςία Γενικι Γεωμετρία Ιδιότθτεσ Τλικϊν Young's odulus Shear odulus Poisson's ratio CFRP E 1 =35GPa G 12 =2GPa v 12 =0.35 E 2 =E 3 =3GPa G 23 =G 13 =1.5GPa v 23 =v 13 =0.3 Steel E=170GPa G=65GPa v=0.3

30 Μοντζλο Πεπεραςμζνων τοιχείων-προεπεξεργαςία Cohesive Zone aterial odel Διγραμμικό Μοντζλο ode I G cn G ss P = normal contact stress u n = contact gap Constant Symbol eaning C1 σ max maximum normal contact stress C2 G cn critical fracture energy for normal separation C3 τ max maximum equivalent tangential contact stress C4 G ct critical fracture energy for tangential slip

31 Μοντζλο Πεπεραςμζνων τοιχείων-προεπεξεργαςία Θα μελετθκοφν 3 περιπτϊςεισ: 2 πειράματα με 1 πείραμα με CFRP Steel CFRP Steel 6 2 Constant Symbol Cohesive Zone aterial odel Διγραμμικό Μοντζλο Case 1 Case 2 Specimen I-1 I-2 G cn (N/m) σ max (Pa) G ct (N/m) τ max (Pa) Case 3 Specimen -4 G cn (N/m) σ max (Pa) 18.1 G ct (N/m) 1784 τ max (Pa) 17.1 eaning C1 σ max maximum normal contact stress C2 G cn critical fracture energy for normal separation C3 τ max maximum equivalent tangential contact stress C4 G ct critical fracture energy for tangential slip

32 Μοντζλο Πεπεραςμζνων τοιχείων-προεπεξεργαςία Δθμιουργθμζνεσ Μοντζλο με τοιχεία Επιφάνειεσ Δοκιμίου Reaction Force (N) Element Length Keypoint 1 Keypoint 7 2mm mm mm

33 Μοντζλο Πεπεραςμζνων τοιχείων-προεπεξεργαςία Σελικό Μοντζλο Case 1 Case 2 Case 3 CFRP (Nm) Steel (Nm) CFRP / Steel - odel CFRP / Steel - Experiment

34 Μοντζλο Πεπεραςμζνων τοιχείων-επίλυςθ Μθ γραμμικι ανάλυςθ-επιβολι φορτίου ςε βιματα Initial Time Step Size inimum step size aximum step size Run E E E-03 Run E E E-04 Run E E E-03 Rotation at time=0.879 (rad) for Case 1 load values. Keypoint 42 Keypoint 49 Run E E-02 Run E E-02 Run E E-02

35 Load (kn) Case 1-Αποτελζςματα Κατανομι τάςεων ςτο παραμορφωμζνο μοντζλο. Διαγράμμα Φορτίου-Μετατόπιςθσ ode I φγκριςθ μεταξφ μοντζλου-πειράματοσ 0.4 Experiment odel Normal Opening (mm) odel Experiment δ nc (mm) Μέγιστο Φορτίο (kn)

Load (kn) Case 2-Αποτελζςματα Κατανομι τάςεων ςτο παραμορφωμζνο μοντζλο. Διαγράμμα Φορτίου-Μετατόπιςθσ ode I φγκριςθ μεταξφ μοντζλου-πειράματοσ 0.

36 Load (kn) Case 2-Αποτελζςματα Κατανομι τάςεων ςτο παραμορφωμζνο μοντζλο. Διαγράμμα Φορτίου-Μετατόπιςθσ ode I φγκριςθ μεταξφ μοντζλου-πειράματοσ Experiment 0.2 odel Normal Opening (mm) odel Experiment δ nc (mm) Μέγιστο Φορτίο (kn)

37 Case 3-Αποτελζςματα Κατανομι τάςεων ςτο παραμορφωμζνο μοντζλο.

Load (kn) Load (kn) Case 3-Αποτελζςματα Διαγράμματα Φορτίου-Μετατοπίςεων φγκριςθ μεταξφ μοντζλου-πειράματοσ ode I ode II 0.20 odel 0.20 odel 0.15 Experiment 0.15 Experiment 0.10 0.10 0.05 0.05 0.00 0.

38 Load (kn) Load (kn) Case 3-Αποτελζςματα Διαγράμματα Φορτίου-Μετατοπίςεων φγκριςθ μεταξφ μοντζλου-πειράματοσ ode I ode II 0.20 odel 0.20 odel 0.15 Experiment 0.15 Experiment Normal Opening (mm) odel Experiment δ tc (mm) Μέγιστο Φορτίο(kN) Tangential Opening (mm) odel Experiment δt c (mm) Μέγιστο Φορτίο (kn)

39 υμπεράςματα Σα αποτελζςματα των μοντζλων πεπεραςμζνων ςτοιχείων αποδεικνφουν τθν εφικτότθτα τθσ διαδικαςίασ που εφαρμόςκθκε. Η ζννοια των cohesive laws μπορεί να εφαρμοςκεί για τθν πρόβλεψθ αςτοχίασ ςυνδζςεων με κολλθτικά μζςα με τθν βοικεια μοντζλων πεπεραςμζνων ςτοιχείων. Δοκίμιο DCB-UB αποδείχκθκε καλι επιλογι για τον χαρακτθριςμό τθσ φόρτιςθσ και αςτοχίασ του κολλθτικοφ μζςου. Από τισ τιμζσ των αποτελεςμάτων φάνθκε πωσ όςο το πείραμα πλθςιάηει προσ ode II άνοιγμα, τόςο μεγαλϊνουν οι μζγιςτεσ τιμζσ του Energy Release Rate.

40 Προτάςεισ για μελλοντικι ζρευνα Να γίνει ανάλυςθ με λιγότερεσ υποκζςεισ για καλφτερα αποτελζςματα, όπωσ υπολογιςμόσ του Energy Release Rate χωρίσ να αγνοείται το πάχοσ τθσ κόλλασ. Να γίνει μελζτθ για διαφορετικά πάχθ κόλλασ. Να γίνει χριςθ διαφορετικϊν μορφϊν cohesive laws ςτο μοντζλο των πεπεραςμζνων ςτοιχείων. Να γίνει ζλεγχοσ τθσ διάδοςθσ τθσ ρωγμισ με τθν χριςθ crack starter.

41 Ευχαριςτϊ για τθν προςοχι ςασ

42 Εξιγθςθ φαινομζνου cohesive zone Διάδοςθ ρωγμισ ςε κολλθτικό μζςο Failure Process Zone

43 Τπολογιςμόσ J-integral J-integral u i J Wdx2 ijn j ds x 1 J L u 1 u 1 i2( ) dx1 x 0 1 x1 Strain Energy Density W ij d 0 ij ij n t u u u 2 2 u 1 1

44 u i Wdx2 ijn j ds x1 d d o Απόδειξθ J=G για LEF Energy Release Rate για μθ-ελαςτικι ςυμπεριφορά υλικοφ: J-integral u i J Wdx2 ijn j ds x 1 Εφόςον το J-integral είναι ανεξάρτθτο τθσ γραμμισ ολοκλιρωςθσ, τότε d J d

Σχετικά έγγραφα

ΜΕΡΟΣ Α : ΝΕΟΕΛΛΗΝΙΚΗ ΓΛΩΣΣΑ ΜΟΝΑΔΕΣ 14

ΜΕΡΟΣ Α : ΝΕΟΕΛΛΗΝΙΚΗ ΓΛΩΣΣΑ ΜΟΝΑΔΕΣ 14 ΓΥΜΝΑΣΙΟ ΑΡΧ. ΜΑΚΑΡΙΟΥ Γ - ΠΛΑΤΥ ΣΧΟΛΙΚΟ ΕΤΟΣ 2014 2015 ΜΑΘΗΜΑ: ΝΕΑ ΕΛΛΗΝΙΚΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ: 12/6/2015 ΤΑΞΗ: Β ΧΡΟΝΟΣ: 2 ώρες (7.45 π.μ.-9.45 π.μ.) ΓΡΑΠΤΕΣ ΠΡΟΑΓΩΓΙΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΙΟΥΝΙΟΥ 2015 Το εξεταστικό