Damage tolerance of bonded composite joints

In this thesis, the fatigue damage mechanisms of different carbon epoxy composite bonded joints are investigated. The objective is to compare the mechanical behavior of a simply co-bonded composite structure, which makes use of solely structural adhesive, with a new joint solution called RHEA (Redundant High Efficiency Assembly) developed by Airbus, EADS Innovation Works and Fraunhofer FIL. This joint employs a spiked thin metallic grid to interlock the composite laminates at the bonded layer. A 4-point-bending in compression test configuration is used to perform static and fatigue tests in order to observe the debonding and damage mechanism for both the configurations. Flange bonded onto a skin specimens, with fixed stacking sequence made of UD prepreg laminas, are analyzed. A 7 mm Teflon insert set is also investigated to simulate embedded defects at the adhesive-adherent interface. Different load levels up to 50% of the ultimate static load are considered. Examples showing the dependence of the damage patterns on the type of specimen and load level are provided. Adhesive failure is mainly observed for the co-bonded specimens. A high-correlation between the crack growth rate and the load level at which the specimen is tested is also noticed. The damage pattern for the RHEA specimens also depends on the load level. Low load levels do not introduce any consistent damage in the structure. As the load increases, delaminations occur in the skin near the joint region. Matrix cracks at the most external skin plies are also identified. Lastly, a low-energy impact tests campaign is carried out on RHEA specimens to measure delamination and damage extent after impact by means of NDT. A comparison with a simply co-bonded set, tested in previous works, shows improvements in the average damage at the bonded interface, but delaminations and cracks are observed in the external plies of the skin, near the impact area.

In questa tesi, vengono discussi i meccanismi del danneggiamento a fatica di due tipi di giunzione per materiali compositi in fibra di carbonio. L'obiettivo è di confrontare il comportamento meccanico di una struttura in composito, incollata per mezzo di un adesivo strutturale, con una giunzione di nuova generazione chiamata RHEA, sviluppata da Airbus, EADS Innovation Works e Fraunhofer FIL. Questa giunzione è costituita da una sottile griglia metallica che si inserisce tra i laminati in composito a livello dell'incollaggio. Una configurazione a 4 punti in flessione-compressione è utilizzata per eseguire prove statiche e a fatica. I provini sono costituiti da una flangia incollata su un laminato base. Entrambi sono formati da lamine unidirezionali pre-impregnate, impaccate secondo una sequenza di laminazione definita. Alcuni provini prevedono un inserto di 7 mm in Teflon per simulare la presenza di difetti all'interfaccia tra adesivo e aderente. Diversi livelli di carico fino al 50% del carico statico ultimo sono studiati. Le prove hanno mostrato che il meccanismo di danneggiamento e la crescita della cricca dipendono dal tipo di giunzione e dal livello di carico. I provini incollati sono caratterizzati da scollamento all'interfaccia tra adesivo e aderente. Per quanto riguarda i RHEA, è stata riscontrata una dipendenza del meccanismo di rottura dal livello di carico. Bassi livelli di carico inducono poco danneggiamento nella struttura. All'aumentare del carico di prova, si possono generare delaminazioni nel laminato di base vicino alla zona di giunzione. Nelle lamine più esterne della base si osservano anche micro-fratture della fase matrice. Infine, una campagna di prove a bassa energia d'impatto è stata eseguita sui provini RHEA, con lo scopo di misurare il danno subito tramite tecnologie di controllo non distruttive. Un confronto con provini incollati, esaminati in campagne precedenti, mostra un miglioramento nella tolleranza al danno all'interfaccia tra adesivo e aderente. Tuttavia si osservano delaminazioni e rotture nelle lamine più esterne della base, a seconda delle condizioni di vincolo provate.