Design and testing of joints for bonded bicycle frames

One emerging method for bicycle production consists of a frame triangle made of two halves and then bonded together like a clamshell, by means of a particular joint. Officine MDE is a bicycle manufacturer interested in this application and this thesis has helped the company to evaluate the employment of this production method. Bonded joints have been designed and tested for this application, comparing the single-lap joint with the scarf joint. The research is focused on the verification of the resistance of these joints, ensuring the integrity of the frame structure subjected to a static limit load. In order to determine the highest stresses involved at the interface, a simulation was carried out on the bicycle frame with Fusion-360. The results have been converted into loads for uni-axial tensile simulations performed with Abaqus CAE software on particular specimens to test both of the joints. These alloy specimens have been modelled considering a specific adhesive material and its properties with the target to determine the stress state of the adhesive layer under the applied loads. The advantages of the scarf joint over the single-lap have been clear from this phase, where the former has highlighted more uniform stress distributions than the latter. It was clear the possibility to operate in the elastic regime, however showing a very low safety factor. Then, bonded specimens have been manufactured and tested at the Experimental Test Laboratory of the Dept. of Aerospace Science and Technology of Politecnico di Milano. The average tensile strength of both joints has been determined along with more accurate properties of the employed adhesive. The empirical campaign has confirmed the previous results, showing higher failure forces for the scarf joint and linear and predictable response up to failure. Results have also demonstrated the importance of an accurate bonding process to accomplish optimum strength. An Abaqus CAE simulation was carried out on the bicycle frame model, comprehensive of the adhesive layer, verifying the static resistance of the whole structure with good safety factors.

Un metodo emergente nella produzione di biciclette consiste nella costruzione del telaio composto da due metà incollate tra loro a guscio, tramite un particolare giunto. Officine MDE è un produttore di mountain-bike interessato a tale applicazione e questa tesi ha supportato la valutazione di impiego di questo metodo produttivo. Sono stati progettati e testati dei giunti incollati, confrontando il giunto a sovrapposizione semplice e quello a sciarpa. La ricerca si è concentrata nel verificare la resistenza di questi giunti, assicurando l’integrità della struttura soggetta ad un carico limite statico. È stata svolta una simulazione del telaio bici con Fusion-360 per determinare gli sforzi massimi coinvolti sulla giunzione. I risultati sono stati poi convertiti in carichi per effettuare simulazioni di trazione uni-assiale con Abaqus CAE, su provini in alluminio atti a testare i due giunti. Essi sono stati modellati considerando un materiale adesivo specifico e le sue proprietà, con l’obiettivo di determinare lo stato di sforzo dello strato adesivo sollecitato dai carichi applicati. I vantaggi del giunto a sciarpa rispetto al sovrapposto sono stati chiari fin da questa fase, in cui il primo ha mostrato delle distribuzioni di sforzo più uniformi del secondo. L’adesivo opera in regime elastico, nonostante un fattore di sicurezza piuttosto basso. I provini incollati sono stati prodotti e testati nel Laboratorio Prove Sperimentali del Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano. Sono stati determinati i carichi di rottura medi dei provini, insieme a dati più accurati riguardanti le proprietà dell’adesivo impiegato. La campagna sperimentale ha confermato i risultati precedenti, mostrando delle forze di rottura del giunto a sciarpa superiori e con una risposta lineare fino a rottura e quindi più prevedibile. È stata altresì dimostrata l’importanza di un preciso incollaggio per ottenere la resistenza ottimale del giunto. Per finire, è stata realizzata un’ulteriore simulazione Abaqus dell’intero telaio bici compreso di giunto e strato adesivo, che ha verificato la resistenza statica della struttura con un discreto fattore di sicurezza.