Estimation of crack tip position in adhesively bonded joints subjected to mode II quasi-static and fatigue loadings

Adhesively bonded joints offer distinct advantages in various industries, including high strength, lightweight design, and suitability for joining dissimilar materials. However, their susceptibility to environmental factors and inconsistent mechanical behavior due to defects present challenges in maintaining their long-term reliability and safety. This requires the implementation of effective damage monitoring techniques, such as Non-Destructive Testing (NDT) and Structural Health Monitoring (SHM). These techniques particularly aid in detecting and characterizing cracks, which are essential for evaluating the residual strength and longevity of the adhesive joints. Various promising methods based on strain analysis, elastic waves, dynamic responses, and impedance variation have emerged for assessing bonded joint integrity. However, a deeper understanding is needed for crack initiation and propagation within the adhesive bondline under different loading modes. While most studies have focused on mode I loading (the most common and detrimental loading mode), some have shown that mode II loading can also significantly contribute to joint failure. This research aims to investigate the crack length estimation in adhesive bonded joints subjected to mode II quasi-static and fatigue loading conditions. For this purpose, a combination of experimental, numerical, and analytical methods is used to monitor the initiation and propagation of cracks. This combination allows for a thorough comparison of crack tip position estimation using various monitoring approaches. Optical backscatter reflectometry and digital image correlation were proposed as novel strategies, compared and verified by other established methods including visual testing, a different digital image correlation technique, along with compliance-based beam method as an analytical approach. All methods were employed under both quasi-static and fatigue loading types using an end-notched flexure configuration. Additionally, in quasi-static loading, a finite element analysis was conducted to provide further insights into the interpretation of the positions detected by experimental techniques in relation to the numerical crack tip and the state of damage within the bondline, both before and after propagation. Regarding the analysis of quasi-static loading, finite element analysis revealed that a significant portion of the crack propagation region in the adhesive is occupied by the fracture process zone whereas only a relatively small portion of the adhesive experienced complete separation. The experimental methods appeared to be influenced by this large process zone and possible damage within it, with optical backscatter reflectometry being more affected, and visual testing and digital image correlation techniques being less affected. Optical backscatter reflectometry showed its ability to detect potential damage within the adhesive that other methods may not capture, both before and after unstable propagation. This capability is especially advantageous for identifying early-stage damage in practical applications, such as crack initiation, before it progresses to complete failure. Under fatigue loading condition, both digital image correlation methods estimated slightly larger lengths than visual testing, a trend also observed under quasi-static loading. However, optical backscatter reflectometry estimated considerably larger crack lengths compared to other methods, albeit lower than its estimation under quasi-static loading. This suggests that the quasi-static loading condition potentially provides a larger process zone compared to fatigue loading. In the dynamic regime, optical backscatter reflectometry data revealed a different trend, suggesting additional factors influencing its behavior beyond the process zone. Yet, it remains the only method for continuous monitoring without interruption, making it a valuable tool for early damage detection during fatigue tests. Moreover, the compliance-based beam method, despite its simplicity, had limitations. Nevertheless, its alignment with optical backscatter reflectometry under both loading types supports the notion that optical backscatter reflectometry is effective in detecting process zone damage and estimating a larger process zone under quasi-static loading than fatigue loading.

Le giunzioni incollate offrono vantaggi distintivi in vari settori, tra cui elevata resistenza, design leggero e idoneità all'unione di materiali dissimili. Tuttavia, la loro suscettibilità ai fattori ambientali e il comportamento meccanico incoerente dovuto a difetti rappresentano sfide per il mantenimento dell'affidabilità e della sicurezza a lungo termine. Ciò richiede l'implementazione di tecniche efficaci di monitoraggio dei danni, come i controlli non distruttivi (NDT) e il monitoraggio dello stato strutturale (SHM). Queste tecniche sono particolarmente utili per rilevare e caratterizzare le crepe, che sono essenziali per valutare la resistenza residua e la longevità dei giunti adesivi. Sono emersi vari metodi promettenti basati sull'analisi delle deformazioni, sulle onde elastiche, sulle risposte dinamiche e sulla variazione dell'impedenza per valutare l'integrità dei giunti incollati. Tuttavia, è necessaria una comprensione più profonda dell'iniziazione e della propagazione delle crepe all'interno del giunto adesivo in diverse modalità di carico. Mentre la maggior parte degli studi si è concentrata sul carico di Modo I (la modalità di carico più comune e dannosa), alcuni hanno dimostrato che anche il carico di Modo II può contribuire in modo significativo al cedimento del giunto. Questa ricerca ha lo scopo di studiare la stima della lunghezza della crepa in giunti incollati soggetti a carico quasi-statico e di fatica di Modo II. A tale scopo, viene utilizzata una combinazione di metodi sperimentali, numerici e analitici per monitorare l'iniziazione e la propagazione delle crepe. Questa combinazione consente un confronto accurato della stima della posizione del vertice della crepa utilizzando vari approcci di monitoraggio. La riflettometria a retrodiffusione ottica e la correlazione di immagini digitali sono state proposte come nuove strategie, confrontate e verificate da altri metodi consolidati tra cui prove visive, una diversa tecnica di correlazione di immagini digitali, insieme al metodo della trave basato sulla compliance come approccio analitico. Tutti i metodi sono stati impiegati sia in prove di carico quasi-statiche che di fatica. Inoltre, nel carico quasi-statico, è stata condotta un'analisi agli elementi finiti per fornire ulteriori informazioni sull'interpretazione delle posizioni rilevate dalle tecniche sperimentali in relazione al vertice della crepa numerico e allo stato di danno all'interno del giunto, sia prima che dopo la propagazione. Per quanto riguarda l'analisi del carico quasi-statico, l'analisi agli elementi finiti ha rivelato che una parte significativa della regione di propagazione della crepa nell'adesivo è occupata dalla zona di processo di frattura, mentre solo una porzione relativamente piccola dell'adesivo ha subito una separazione completa. I metodi sperimentali sembravano essere influenzati da questa ampia zona di processo e da possibili danni al suo interno, con la riflettometria a retrodiffusione ottica maggiormente influenzata e le prove visive e le tecniche di correlazione di immagini digitali meno influenzate. La riflettometria a retrodiffusione ottica ha mostrato la sua capacità di rilevare potenziali danni all'interno dell'adesivo che altri metodi potrebbero non rivelare, sia prima che dopo una propagazione instabile. Questa capacità è particolarmente vantaggiosa per identificare danni in fase iniziale in applicazioni pratiche, come l'iniziazione di crepe, prima che progrediscano verso un cedimento completo. In condizioni di carico di fatica, entrambi i metodi di correlazione di immagini digitali hanno stimato lunghezze leggermente maggiori rispetto alle prove visive, una tendenza osservata anche in condizioni di carico quasi-statico. Tuttavia, la riflettometria a retrodiffusione ottica ha stimato lunghezze di crepa notevolmente maggiori rispetto ad altri metodi, sebbene inferiori alla sua stima in condizioni di carico quasi-statico. Ciò suggerisce che la condizione di carico quasi-statico fornisca potenzialmente una zona di processo più ampia rispetto al carico di fatica. Nel regime dinamico, i dati della riflettometria a retrodiffusione ottica hanno rivelato una tendenza diversa, suggerendo fattori aggiuntivi che influenzano il suo comportamento al di là della zona di processo. Tuttavia, rimane l'unico metodo per un monitoraggio continuo senza interruzioni, rendendolo uno strumento prezioso per la rilevazione precoce dei danni durante i test di fatica. Inoltre, il metodo della trave basato sulla compliance, nonostante la sua semplicità, ha dei limiti. Tuttavia, il suo allineamento con la riflettometria a retrodiffusione ottica sotto entrambi i tipi di carico supporta l'idea che la riflettometria a retrodiffusione ottica sia efficace nel rilevare i danni della zona di processo e nel stimare una zona di processo più ampia sotto carico quasi-statico rispetto al carico di fatica.