Modelling of the strength of adhesive joints at different temperatures by cohesive zone models

Structural adhesives are being increasingly used in several mechanical and aerospace applications that operate in challenging environmental conditions. Predicting the mechanical behaviour of the adhesive when temperature changes might increase the confidence of designers in choosing adhesives as joining technique. Adhesive’s performances may vary with temperature and their characterization is not always provided by the manufacturer. In this work, the parameters of cohesive zone models of a two-component epoxy resin are evaluated at different temperatures. Double Cantilever Beam (DCB) and End Notched Flexure (ENF) tests have been conducted to determine the critical Strain Energy Release Rate (SERR) in mode I and mode II at different temperatures, using an environmental chamber. For each tested temperature, the traction-separation laws, which model the progressive damage of the adhesive, have been calibrated by a trial and error method, using numerical models of the DCB and ENF tests. Finally, the obtained cohesive zone models have been used to predict the failure at different temperatures of small-scale adhesively bonded joints, with the aim of reproducing the experimentally evaluated by load-displacement curves. This has been done by applying cohesive models, using parameters obtained in pure mode I or pure mode II, to real joints, whose failure is affected by a mixed mode opening. A good agreement between numerical simulations and experimental results has been achieved for each analysed temperature.

L’utilizzo degli adesivi strutturali è in continua crescita in diversi ambiti applicativi meccanici ed aerospaziali, operanti in difficili condizioni ambientali. Prevedere il comportamento meccanico degli adesivi al variare della temperatura potrebbe invogliare i progettisti a scegliere l’incollaggio come metodo di collegamento. Le prestazioni degli adesivi potrebbero cambiare in funzione della temperatura e spesso la loro caratterizzazione meccanica non è fornita dal produttore. In questo lavoro, i parametri dei modelli coesivi di una resina epossidica bi-componente sono stati calcolati a diverse temperature. I test Double Cantilever Beam (DCB) e End Notched Flexure (ENF) sono stati eseguiti per determinare il tasso critico di rilascio di energia di deformazione, o critical Strain Energy Release Rate (SERR), in modo I e modo II a diverse temperature, tramite l’utilizzo di una appropriata camera ambientale. Per ogni temperatura considerata, le leggi di trazione-separazione, le quali modellano il danneggiamento progressivo dell’adesivo, sono state derivate tramite un approccio Trial & Error, utilizzando modelli numerici dei test DCB e ENF. Infine, i modelli coesivi ottenuti sono stati utilizzati per prevedere la rottura di giunti incollati di piccole dimensioni, a diverse temperature, in modo tale da riprodurre quanto più fedelmente le curve forza-spostamento sperimentali. Ciò è stato fatto utilizzando i parametri coesivi, ottenuti mediante prove eseguite in modo I puro e modo II puro, per modellare giunti reali la cui rottura è caratterizzata da un modo di apertura misto. Per ogni temperatura analizzata, è stato ottenuto un buon accordo tra le simulazioni numeriche e i risultati sperimentali.