Adhesive characterization and numerical investigation on cylindrical bonded joints

This thesis is concerned with analysing and validating cylindrical bonded joints for lightweight multi-material structures, motivated by an aluminum–CFRP cylindrical joint used in a train pantograph. Because validation of the original component is impractical, due to the large scale of the model, a reduced scale approach is needed to assess the structural reliability of the adhesively bonded connection. The aim of this thesis is to develop a workflow which links adhesive characterization to finite element assessment of the joint, so its behavior can be evaluated and correlated with further experimental validation. Regarding adhesive characterization it is performed through bulk adhesive tensile testing and fracture tests; Mode I fracture toughness is obtained by Double Cantilever Beam testing while Mode II fracture toughness is established using End Notched Flexure testing and further estimated via numerical correlation when adherend yielding is present. These properties are implemented in Abaqus and used to analyze three different bonded joints configurations of adherends (Steel-Steel, Aluminum-Aluminum, Aluminum-CFRP), under axial loading with the use of three approaches: elastic stress based approach; linear elastic fracture mechanics with the use of Virtual Crack Closure Technique and a Cohesive Zone Model to determine fracture behavior. For the considered approaches, the predicted joint response is mainly determined by adherend yielding rather than stable adhesive crack propagation. This workflow provides a basis for comparing the results of these modeling routes for cylindrical bonded joints validation.

Questa tesi riguarda l’analisi e la validazione di giunti cilindrici incollati per strutture leggere multimateriale, motivata da un giunto cilindrico alluminio–CFRP impiegato in un pantografo ferroviario. Poiché la validazione del componente originale non è praticabile a causa della grande scala del modello, è necessario un approccio su scala ridotta per valutare l’affidabilità strutturale del collegamento incollato. L’obiettivo della tesi è sviluppare un flusso di lavoro che colleghi la caratterizzazione dell’adesivo alla valutazione del giunto mediante analisi agli elementi finiti, in modo che il suo comportamento possa essere valutato e correlato a ulteriori prove sperimentali di validazione. La caratterizzazione dell’adesivo viene eseguita tramite prove di trazione sul materiale bulk e prove di frattura: la tenacità a frattura in Modo I è ottenuta mediante prove Double Cantilever Beam, mentre la tenacità a frattura in Modo II è determinata tramite prove End Notched Flexure e, quando è presente lo snervamento degli aderenti, ulteriormente stimata mediante correlazione numerica. Le proprietà così ottenute sono implementate in Abaqus e utilizzate per analizzare tre diverse configurazioni di giunti incollati (Acciaio-Acciaio, Alluminio-Alluminio, AlluminioCFRP) soggetti a carico assiale attraverso tre approcci: un’analisi elastica basata sugli stati tensionali; un approccio di meccanica della frattura elastica lineare mediante la Virtual Crack Closure Technique; e un modello a zona coesiva (Cohesive Zone Model) per descrivere il comportamento a frattura. Per i casi considerati, la risposta prevista del giunto è determinata principalmente dallo snervamento degli aderenti piuttosto che dalla propagazione stabile della cricca nell’adesivo. Questo flusso di lavoro fornisce una base per confrontare i risultati di tali strategie di modellazione ai fini della validazione dei giunti cilindrici incollati.