23519

ارائه روشي ساده جهت تعيين انرژي شكست اتصالات چسبي با قابليت پوشش كامل تركيبهاي مود يك و دو

دكتري

مهندسي مكانيك

99-00

1400/2/12

دكتر مجيد رضا آيت اللهي

مهندسي مكانيك

اندازه¬گيري انرژي شكست اتصالات چسبي در تخمين رفتار اين اتصالات نقش حياتي دارد. انرژي شكست عمدتا به ازاي سه حالت بارگذاري مود يك خالص، مود دو خالص و مودهاي مياني يك و دو اندازه‌گيري مي¬شود. از آنجا كه براي اندازه¬گيري انرژي شكست در مود يك، آزمون¬هاي DCB و TDCB مورد تاييد استانداردهاي بين¬المللي قرار گرفته¬اند، پژوهش حاضر به ارائه راهكارهايي جهت اندازه¬گيري انرژي شكست اتصالات چسبي در مود دو خالص و مودهاي مياني يك و دو مي¬پردازد. آزمون ENF به طور گسترده جهت اندازه¬گيري انرژي شكست مود دو خالص به كار گرفته مي¬شود، با اين حال به دليل برخي ايرادات، استانداردي براي آن معرفي نشده است. اين پژوهش به دو مورد از مشكلات آزمون ENF پرداخته و راهكارهايي جهت بهبود نتايج اين آزمون ارائه مي¬كند. در بخش نخست تاثير پارامتر هندسي نسبت طول پيش¬ترك به ناچ بر انرژي شكست بررسي مي¬شود. در ادامه يك روش بر مبناي كاليبراسيون نرمي براي كاهش داده در اين آزمون ارائه مي شود و برتري آن نسبت به روش¬هاي كاهش داده موجود، به اثبات مي رسد. در بخش دوم، هندسه¬اي بر پايه SCB براي اندازه¬گيري انرژي شكست اتصالات چسبي به ازاي شرايط مود يك خالص، مود دو خالص و مودهاي تركيبي يك و دو پيشنهاد مي شود. مزاياي هندسه ارائه شده در مقايسه با روش¬هاي موجود اندازه¬گيري انرژي شكست مودهاي تركيبي عبارتند از: ساخت آسان و كم هزينه، عدم نياز به فيكسچر بارگذاري و شرايط تكيه¬گاهي ويژه، عدم نياز به حس¬گرها و عملگرهاي ويژه، قابليت پوشش كامل مود يك خالص تا مود دو خالص، قابل استفاده براي چسب¬هاي ترد و نرم و عدم تغيير شكل پلاستيك در چسبنده¬ها. اين هندسه، ابتدا با استفاده از چسب¬هاي ترد مورد بررسي قرار مي گيرد. دامنه گسترده¬اي تحليل المان محدود الاستيك خطي بر روي اين هندسه انجام گرفته و روابطي جهت تعيين ضريب شكل به ازاي شرايط مختلف هندسي ارائه مي شود. تحليل¬هاي المان محدود با استفاده از نتايج آزمايشگاهي DIC ارزيابي و اعتبار سنجي شده و در نهايت نمودار فراگير شكست اتصال چسبي ترد ارائه مي شود. به منظور اعتبار سنجي اين روش، از آزمون¬هاي DCB، SLB و ENF استفاده مي¬شود كه نتايج آن¬ها همخواني خوبي با نتايج SCB دارد. در نهايت از هندسه SCB براي اندازه¬گيري انرژي شكست مودهاي تركيبي چسب نرم استفاده مي شود. دو تفاوت اساسي در اندازه¬گيري شكست چسب نرم و چسب ترد وجود دارد: (1) نياز به اثبات ثابت ماندن زاويه فاز اختلاط مود ضمن رشد ترك، (2) روش كاهش داده مورد استفاده. براي اثبات عدم تغيير زاويه فاز اختلاط مود، از يك مجموعه تحليل¬هاي المان محدود الاستيك خطي استفاده مي¬شود تا پارامترهاي هندسي مطلوب براي اين منظور انتخاب شوند. براي كاهش داده¬ها، روش معكوس و مدل¬سازي المان محدود مبتني بر CZM به كار گرفته مي¬شود و هم¬خواني مطلوب نتايج به دست آمده با نتايج آزمون DCB نشان داده مي¬شود.

1400/02/24

Proposing a novel method for fracture energy measurement in adhesive joints for complete range of mixed-mode I/II loading

5/2/2022 12:00:00 AM

The application of adhesively bonded joints (ABJs) in automobile, aeronautical and other industries is increasingly growing. Many researchers use fracture mechanics and damage mechanics for predicting mechanical behavior and strength of ABJs. Critical strain energy release rate is an important input parameter in both fracture mechanics and damage mechanics approaches. Many researchers have investigated pure mode I fracture energy measurement which has led to standard test method for adhesive joints. However, for pure mode II and mixed-mode I/II loading conditions, there are no international standards. In the first part of this research, some issues of the end-notched flexure (ENF) test method for mode II fracture energy measurement are pointed out. In this part, the effect of notch and pre-crack lengths on the fracture energy obtained from ENF is studied and, it turns out that, this parameter has significant impact on the obtained results. A modification based on finite element (FE) analysis is proposed to overcome this drawback. In this field the conventional data reduction approaches such as direct beam theory (DBT) and compliance-based beam method (CBBM) are studied and a new approach based on compliance calibration method (CCM) is proposed for brittle adhesives. Experiments and numerical analyses showed the advantage of proposed technique. In the second part, a specimen based on semi-circular bend (SCB) is proposed for measuring mode I, mode II and, mixed-mode I/II fracture energies. Advantages of this method are: low cost and easy manufacturing, no need for special jig and fixtures, no need for special sensors and actuators, wide range mixed-mode ratio coverage from pure mode I to pure mode II, applicable for both ductile and brittle adhesives, lower risk of plastic deformation in adherends. The SCB specimen is first tested with a brittle adhesive. A wide range of FE analyses with linear elastic formulation is conducted for this specimen and shape factors are obtained for many geometrical parameters. The digital image correlation (DIC) technique is used to validate FE results. Finally, the fracture envelope of adhesive joint is obtained. Double cantilever beam (DCB), single-leg bending (SLB) and ENF tests are conducted and very good agreement is shown to exist between their results and the SCB results. Finally, the SCB specimen is used to obtain the fracture envelope of a ductile adhesive. There are two basic differences between ductile and brittle adhesives: (i) constant phase angle during crack propagation should be proved. (ii) Data reduction scheme. A wide range of FE simulations are used to find proper geometrical parameters that show the least variation in mixed-mode phase angle during crack propagation. Cohesive zone modelling (CZM) technique is used for data reduction by inverse method and the results are validated with DCB test.

مكانيك شكست , مكانيك آسيب , اتصالات چسبي