Numerical, experimental and NDT analyses on adhesively bonded joints of a parabolic solar trough

This thesis focuses on the structural improvement of a parabolic solar trough, developed in cooperation with Eni and Massachusetts Institute of Technology, by means of structural bonding. In particular, a two-component epoxy resin was used to replace the traditional mechanical joints, such as riveting and screwing. The first version of the trough was composed by mechanical joints only. Afterwards, a second version of the trough was developed. During the redesign phase, some mechanical joints were selected to be replaced by adhesively bonded joints, to improve their mechanical strength and to increase the energetic performance of the whole system, thanks to the higher expected stiffness. This work is part of the redesign and testing activities of the new bonded joints. In this work, an experimental campaign on the structural adhesive was carried out to investigate the effects of some adhesive bonding parameters, such as curing pressure, abrasion grade, cleaning, curing time and temperature. Subsequently, a structural improvement was performed on a selected joint of the parabolic trough using adhesive bonding. After the design and the assembly of the artefact, numerical and experimental tests were carried out and compared. Afterwards, cohesive models were implemented in finite element analyses using the software Abaqus® for simulating the adhesive degradation thanks to cohesive elements and their traction-separation laws. Therefore, the reliability of the results in terms of maximum allowable load and stiffness was evaluated by means of several analyses performed on some joints of the trough. Finally, during and after the experimental tests campaign, made on the entire parabolic trough collector, some ultrasonic inspections were carried out on the most critical joints of the trough, including the one proposed in this work, to evaluate the possible damages on the adhesive layers.

Il lavoro di tesi riguarda il miglioramento strutturale di un collettore solare parabolico, sviluppato in collaborazione con Eni ed il Massachussets Institute of Technology, tramite incollaggio strutturale. In particolare, è stata usata una resina epossidica bi-componente per sostituire le giunzioni meccaniche tradizionali, come quelle rivettate e bullonate. La prima versione del collettore è stata progettata usando solo giunti meccanici. Successivamente, è stata sviluppata una seconda versione del collettore. Durante la fase di riprogettazione, alcuni giunti meccanici sono stati scelti per essere rimpiazzati da giunti incollati, per migliorare la loro resistenza meccanica ed aumentare l’efficienza energetica dell’intero sistema, grazie ad una maggiore rigidezza prevista. Questo lavoro è parte delle attività di riprogettazione ed analisi dei nuovi giunti incollati. In questo lavoro, è stata eseguita una campagna sperimentale sull’adesivo strutturale per investigare gli effetti di alcuni parametri di incollaggio, come la pressione di curing, il grado di abrasione, la pulizia, il tempo di curing e la temperatura. Conseguentemente, è stato effettuato un miglioramento strutturale su uno dei giunti selezionati del collettore parabolico, tramite incollaggio. Dopo la progettazione e l’assemblaggio del manufatto, sono state realizzate e confrontate delle prove sperimentali e numeriche. Successivamente, i modelli coesivi sono stati implementati nelle analisi ad elementi finiti con l’uso del software Abaqus® per simulare la degradazione dell’adesivo grazie agli elementi coesivi ed alle loro leggi di trazione-separazione. È stata poi valutata l’affidabilità dei risultati in termini di massimo carico sostenibile e rigidezza tramite molteplici analisi eseguite su alcuni giunti del collettore. Infine, durante e dopo la campagna dei test sperimentali effettuati sull’intero collettore, sono state eseguite delle ispezioni ultrasonore sui giunti incollati più critici, incluso quello proposto in questo lavoro, per valutare i possibili danni negli strati adesivi.