Modelling of damage evolution in adhesive metal-composite structures for various joint designs

• Autorzy: Konchakova N. , Mueller R. , Barth F. J.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie ewolucji uszkodzenia w adhezyjnych układach metal-kompozyt dla różnej geometrii połączenia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A viscoelastic model with the Lemaitre-type damage is applied to simulate the mechanical behaviour of the contact zone of an adhesive aluminum/fiber-reinforced polymer specimen. The damage evolution in this light weight engineering structure is investigated. The joints of aluminium alloy 5754 (AA5754) and carbon fibre reinforced thermoplastic composite CF-PA66 are manufactured by means of adhesion with an epoxy (1K-EP). The contact zone is considered as an interface material. The aim of the research is to study the influence of the interface geometry on the mechanical characteristics of the structure. The finite element method is used to simulate the complex processes in the joint. The aluminium substrate is modeled as an elastoplastic continuum with linear (isotropic) hardening. The polymer composite possesses an orthotropic elastic behaviour. A solid interface approach is used for the discretisation of the damage domain. It is shown that damage evolution depends on the geometry of the interface. The present work contains the numerical analysis of fracture processes in adhesive specimens with square, rectangular- and circle-shaped geometry of the joint.

PL

Lepkosprężysty model z uszkodzeniem typu Lemaitre'a jest stosowany w symulacji zachowania strefy kontaktu adhezyjnego w próbce glinu połączonego z polimerem zbrojonym włóknami. Badana jest ewolucja uszkodzenia w takiej lekkiej konstrukcji. Połączenia stopu glinu AA5754 i termoplastycznego kompozytu zbrojonego włóknami węglowymi CF-PA66 są wykonywane przy użyciu epoksydowej warstwy adhezyjnej 1K-EP. Strefa kontaktu jest traktowana jako materiał interfejsowy. Celem badań jest analiza wpływu geometrii interfejsu na własności mechaniczne próbki. Metoda elementów skończonych służy do symulacji skomplikowanych procesów zachodzących w połączeniu. Glin jest modelowany jako materiał sprężysto-plastyczny z liniowym wzmocnieniem izotropowym. Kompozyt polimerowy wykazuje ortotropowe zachowanie sprężyste. Przy dyskretyzacji warstwy adhezyjnej wykazującej uszkodzenie stosowane jest podejście interfejsu ciał stałych. Pokazano, że ewolucja uszkodzenia zależy od geometrii tego interfejsu. Praca zawiera analizę numeryczną procesu destrukcji próbek z kwadratowym, prostokątnym i okrągłym kształtem strefy adhezyjnej.

Słowa kluczowe

EN

damage; finite element analysis; viscoelasticity; Lemaitre-type damage; metal-composite joint

PL

uszkodzenie; analiza MES; lepkosprężystość; model uszkodzenia typu Lemaitre'a; połączenie metal-kompozyt

• Wydawca: AGH University of Science and Technology Press
• Czasopismo: Mechanics and Control
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 30, no. 4
• Strony: 213--220
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Konchakova N.

autor

Mueller R.

autor

Barth F. J.

• Institute of Applied Mechanics, University of Kaiserslautern P.O. Box 3049, D-67653 Kaiserslautern, Germany,

Bibliografia

• [1] Balle R, Wagner G., Eifler D. 2009, Ultrasonic Metal Welding of Aluminium Sheets to Carbon Fibre Reinforced Thermoplastic Composites. Advanced Engineering Materials, 11, pp. 35-39.
• [2] Velthuis R., Koetter M.P., Geiss P.L., Mitschang P., Schlarb A.K. 2007, Lightweight Structures Made of Metal and Fiber-Reinforced Polymers, Kunststoffe international, 11, pp. 22-24.
• [3] Baldan A. 2004, Adhesively-bonded Joints and Repairs in Metallic Aloys. Polymers and Composite Materials: Adhesives, Adhesion Theories and Surface Pretreatment J. of Mater. Sci., 39, pp. 1-49.
• [4] da Silva, Lucas F.M., Adams R.D. 2007, Adhesive joints at high and low temperatures using similar and dissimilar adherends and dual adhesives. International Journal of Adhesion and Adhesives, 27, pp. 216-226.
• [5] Brodyanski M., Geiss PL., Kopnarski M., Passlack S., Possart G., Presser M., Steinmann P. 2009, Micro-macro Characterisation of DGEBA-based Epoxies as a Preliminary to Polymer Interphase Modelling. International Journal of Adhesion and Adhesives, 29, pp. 478-487.
• [6] Sihn S., Miyano Y., Nakada M., Tsai SW. 2003, Time- and Temperature-dependent Failures of a Metal-to-Composites Bonded Joint with PMMA Adhesive Material. J. of Composite Materials 37, pp. 35-54.
• [7] Deheeger A., Mathias J.D., Grediac M. 2009, A closed-form solution for the thermal stress distribution in rectangular metal/composite bonded joints. International Journal of Adhesion and Adhesives, 29, pp. 515-524.
• [8] Ribeiro F.L., Borges L., d'Almeida J.R.M. 2011, Numerical stress analysis of carbon-fibre-reinforced epoxy composite single-lap joints. International Journal of Adhesion and Adhesives, 31 pp. 331-337.
• [9] Derewonko A. 2009, Prediction of the failure metal/composite bonded joints. Int. J. Comput. Mater. Sci, 45, pp. 735-738.
• [10] Steinmann P., Betsch P. 2000, A localisation capturing FE-interface based on regularized strong discontinuties at lage inelastic strain. Int. J. Solids Struct, 37, pp. 4061-4082.
• [11] Utzinger J., Bos M., Floeck M., Menzel A., Kuhl E., Renz R., Friedrich K., Schlarb A., Steinmann P. 2008, Computational modelling of thermal impact welded peek/steel single lap tensile specimens. Int. J. Comput. Mater. Sci., 41, pp. 287-296.
• [12] Konchakova N., Balle F., Barth F.J., Mueller R., Eifler D., Steinmann P. 2010, Finite Element Analysis of an Inelastic Interface in Ultrasonic Welded Metal/Fibre-Reinforced Polymer Joints. Int. J. Comput. Mater. Sci, 50, pp. 184-190.
• [13] Utzinger J. 2008, Analysis and Computation of Solid Interfaces on the Meso Scale. PhD thesis, TU Kaiserslautern, Germany.
• [14] Lemaitre J., A Course on Damage Mechanics. Springer, 1994.
• [15] Konchakova N., Mueller R., Barth F.J., Balle F., Eifler D. 2010, Da mage Evolution in Ultrasonic Welded Aluminum/Fibre-Reinforced Polymer Joints with Different Welding Geometries. Supplemental Proc. TMS Annual Meeting 2011, vol. 2: Materials Fabrication, Properties, Characterization and Modelling, pp. 601-608.