Design and evaluation of a "trap-lock" adhesive joint for a metal-composite railway axle

The present master dissertation discusses the development of a metal-composite joining solution of the “trap-lock” type able to withstand rotating bending fatigue and suitable for being employed for the realization of a railway axle having a metal-composite hybrid construction, a solution that has never been discussed in literature. This joint typology, which has been selected for its reliability, consists in a coupling in which the composite is wrapped around the metallic component, creating a mechanical interlock and ensuring an extremely high ultimate strength for an adhesive joint. The goal of the joint geometry development, carried out in a numeric environment, is the definition of a trend of the stresses at the adherends interface, where is considered the presence of a film adhesive, having the normal stress component to the joint surface as low as possible and the shear one constant, maintaining a geometry able to guarantee the retention of the metallic part by the composite one. This allows to have the best joint configurations from the point of view of fatigue performances. Multiple strategies aimed at reducing the inevitable overstresses that are present at the interface ends which are common in adhesive joints are then positively implemented achieving a significant reduction in the likelihood of delamination onset between the adherends thanks to modifications of their stiffnesses. The characteristics of three joint configurations are evaluated in detail considering the state of stress in the composite laminate and simulating the presence of a fracture in each one of the interface extremities so to have the possibility of drawing some preliminary conclusions regarding the connection fatigue behavior. The results of those analyses provide an extremely promising picture of the joint capability to guarantee the necessary performances to employ it on a railway axle, with fatigue stresses of very low magnitude and confirming the effectiveness of the joint development process.

La presente tesi magistrale tratta lo sviluppo di una giunzione metallo composito di tipo “trap-lock” in grado di operare in condizioni di fatica a flessione rotante così da poter essere impiegata per la realizzazione di un assile ferroviario con costruzione ibrida metallo-composito, una soluzione che in letteratura non è mai stata trattata. Tale tipologia di giunto, selezionato per la sua affidabilità, consiste in un accoppiamento in cui il composito è formato attorno al componente metallico catturandone peculiari profili che garantiscono la ritenzione della parte metallica da parte di quella in composito garantendo un carico di rottura estremamente elevato per un giunto di tipo adesivo. Lo sviluppo della geometria del giunto, svolto in ambiente numerico, ha come obbiettivo l’ottenimento di un profilo dello stato di sforzo all’interfaccia tra gli aderenti, dove è considerata la presenza di un film adesivo, avente la componente normale alla superfice del giunto di minore entità possibile e quella di taglio costante, mantenendo una geometria adatta a garantire la ritenzione della parte metallica da parte di quella in composito, ed è raggiunto con successo. In questo modo il giunto possiede la miglior configurazione per garantire elevate prestazioni a fatica. Molteplici strategie aventi l’obbiettivo di ridurre le inevitabili sovrasollecitazioni presenti alle estremità dell’interfaccia tipiche delle giunzioni adesive sono poi implementate con esito positivo ottenendo una significativa riduzione della probabilità di sviluppo di una de-laminazione tra gli aderenti, agendo sulle loro rigidezze. Le prestazioni di tre configurazioni del giunto sono valutate in dettaglio considerando lo stato di sforzo nel laminato e simulando la presenza di una frattura alle estremità dell’interfaccia così da trarre conclusioni preliminari a proposto del comportamento a fatica del giunto. I risultati forniscono un quadro molto promettente per quanto riguarda la possibilità di garantire le prestazioni necessarie per implementare il giunto in un assile ferroviario, con sollecitazioni a fatica di entità molto ridotta e confermando la bontà del processo di sviluppo della giunzione.