Assessment of the VCCT technique for modelling fatigue crack growth in adhesively bonded composite materials

Recent years have witnessed the emergence of adhesively bonded composites in heavy engineering industrial applications in the quest of continuous performance improvement and cost reduction, particularly due to their high rigidity and high load bearing capability in principal directions, combined with their lightweight properties. Understanding the mechanical behaviour of such joints under fatigue is of considerable importance for fail-safe design which requires sophisticated numerical capability as most of the other techniques fail to provide any solutions. In this work, fracture mechanics based numerical capability was accessed and developed for the simulation of fatigue crack growth in these adhesively bonded composites and was implemented in real industrial problems. Based on the Paris relation relating strain energy release rate SERR with the crack propagation rate, Virtual Crack Closure Technique VCCT was utilized as implemented in the finite element code of Abaqus® and Ansys® from which the FCG was simulated. A strong influence of transverse shear stiffness TSS was observed in modelling thick adhesively bonded composites based on existing experimental work on DCB specimen which was carried for the evaluation of Paris parameters. As such three point bending tests were conducted which lead to the determination of homogenised values of flexural E and shear modulus Gxy and the selection of suitable Mode I compliance based data reduction scheme for thick composite laminates. This was utilised for modelling tapered lap joints TLJ using Paris parameters evaluated through Mode I tests. The modelling revealed significant deviations from experimental behaviour which lead to the conclusion that Paris parameters obtained through Mode I cannot be used in mixed mode MM conditions. The ‘Direct Cyclic’ analysis, as implemented in Abaqus®, was utilised after understanding the influence of various parameters and was utilised in modelling different joint geometries under Mode I, Mode II and mixed mode conditions in both two and three dimensions. The results obtained were compared with equivalent CZM results which showed good correspondence with each other however ‘Direct Cyclic’ required huge computational costs. Further a large industrial component was modelled using the same ‘Direct Cyclic’ method in Abaqus® and the service life was estimated successfully however enormous computational times were involved in complicated industrial geometry. This problem of huge computational time was successfully overcome by the use of an Ansys® based subroutine developed for Mode I geometry which significantly reduced the computational times and auto-updated the geometry for next solution along with the integration of Paris relation.

Negli ultimi anni si è assistito all'emergere dell’utilizzo delle giunzioni incollate di materiali compositi per applicazioni industriali pesanti, nella ricerca del miglioramento continuo delle prestazioni e per la riduzione dei costi. Motivo di questa diffusione è principalmente l’opportunità offerta dalle caratteristiche meccaniche dei suddetti materiali: elevata rigidezza e elevata resistenza, accompagnata da masse ridotte. Comprendere il comportamento meccanico dei giunti in materiale composito sottoposti a fatica, è di notevole importanza per la progettazione fail-safe, che richiede anche elevata capacità di calcolo e tecniche numeriche appropriate per ottenere la soluzione. In questo lavoro, applicando i principi della meccanica della frattura, sono stati analizzati e sviluppati problemi di simulazione della propagazione di fratture per fatica in giunzioni incollate di componenti meccanici reali di uso industriale in materiale composito. Sulla base della relazione di Paris che lega il tasso di rilascio di energia elastica della cricca SERR con la velocità di propagazione della stessa, si è utilizzata la tecnica Virtual Crack Closure VCCT implementata nei codici a elementi finiti di Abaqus® e Ansys® per simulare la propagazione di fratture. Nel modellare i componenti incollati di materiale composito si è osservata una forte influenza della rigidezza a taglio trasversale TSS sul comportamento meccanico dei provini DCB utilizzati per la valutazione dei parametri di Paris. Per l’ottenimento dei moduli omogeneizzati di rigidezza a flessione E e di taglio Gxy, è stato necessario condurre test di flessione a tre punti secondo il Modo I, sviluppando uno schema di riduzione adatto al caso dei laminati di grosso spessore. Questa tecnica è stato utilizzata per la modellazione di giunti rastremati a sovrapposizione (TLJ), utilizzando i parametri di Paris valutati attraverso le modalità del test I. La modellazione ha rivelato deviazioni significative dal comportamento sperimentale, confermando che i parametri di Paris ottenuti attraverso il Modo I non possono essere utilizzati in modalità mista (MM). L'analisi “Direct Cyclic”, implementata in Abaqus®, è stata utilizzata per la simulazione della propagazione a fatica, dopo aver compreso l'influenza di vari parametri di modellizzazione. Sono state analizzate differenti geometrie corrispondenti a propagazioni in Modo I, Modo II e Modo Misto in due e tre dimensioni. I risultati ottenuti, sono stati confrontati con i risultati ottenuti applicando approcci di tipo CZM, i quali hanno mostrato buona corrispondenza, anche se si è rivelato che la tecnica “Direct Cyclic” richiede ingenti costi computazionali. Infine, utilizzando il metodo “Direct Cyclic” implementato in Abaqus®, è stato modellato un componente di grandi dimensioni, stimando il suo ciclo di vita, richiedendo però enormi tempi di calcolo a causa del metodo e della complessa geometria del componente. L’enorme tempo di calcolo richiesto è stato ridotto con successo a seguito dell'utilizzo di una subroutine Ansys® sviluppata per il Modo I, la quale riduce significativamente i tempi di calcolo auto-aggiornando la geometria a ogni passo e integrando la relazione di Paris.