AIAS

Meeting Gruppo di LavoroTecnologie di Giunzione

Reggio Emilia, 16-17 Aprile 2009

Prof. Ing. Alessandro Pirondi, Ing. Fabrizio Moroni

Università di Parma, Dipartimento di Ingegneria Industriale

- Giunzioni incollate ibride- Simulazione fatica con modello di zona coesiva- Progettazione statica ed a fatica incollaggi- Educational

• Attività 2008-2009

OUTLINE

Giunzioni incollate ibride

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Rivettatura

Rivettatura Autoperforante

Tecniche di giunzione meccanica per lamiere

Saldatura a resistenzaClinciatura

+ incollaggio = giunto ibrido !

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Analisi DoE

ProcessoFattori non controllabili xi

Fattori controllabili yj

Risultati zk

Analisi Giunti Ibridi - Risultato:

Carico Massimo, Rigidezza, Energia di Rottura - Fattori controllabili

Spessore aderendi / Materiale / Passo tra punti di fissaggio / Temperatura di esercizio/Invecchiamento (ciclo VDA 621-415)

Analisi Fattoriale

1 piano di esperimenti per ogni tipologia di giunto

Giunti saldati (stessi aderendi)

Giunti rivettati, SPR, clinciati (aderendi diversi)

Adesivo:

Terokal 50771K Hot curing epoxy.

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Fattori considerati / Livelli

1 pt. p=60mm 2 pt. p=30mm

Fattore Simbolo LivelliSpessore A 1.5 / 2.5 mmMateriale B Alluminio / AcciaioPasso C 30 / 60 mmTemperatura D 23 / 60 °C

Fattore Simbolo LivelliSpessore A 1.5 / 2.5 mmPasso C 30 / 60 mmTemperatura D 23 / 60 °C

Giunti omogenei

Giunti eterogenei

Applicata riduzione ½Analisi 24-1

Generatore riduzione D = - ABC

Trattamento Spessore -A Substrato - B Passo - C Temper. - D0 1.5 mm - Alluminio - 30 mm - 23°C -cd 1.5 mm - Alluminio - 60 mm + 60°C +bd 1.5 mm - Acciaio + 30 mm - 60°C +bc 1.5 mm - Acciaio + 60 mm + 23°C -ad 2.5 mm + Alluminio - 30 mm - 60°C +ac 2.5 mm + Alluminio - 60 mm + 23°C -ab 2.5 mm + Acciaio + 30 mm - 23°C -

abcd 2.5 mm + Acciaio + 60 mm + 60°C +

Analisi fattoriale completa 23

Trattamento Spessore - A Passo - C Temper. - D

0 1.5 mm - 30 mm - 23°C -

d 1.5 mm - 30 mm - 60°C +

c 1.5 mm - 60 mm + 23°C -

cd 1.5 mm - 60 mm + 60°C +

a 2.5 mm + 30 mm - 23°C -

ad 2.5 mm + 30 mm - 60°C +

ac 2.5 mm + 60 mm + 23°C -

acd 2.5 mm + 60 mm + 60°C +

Sintesi risultati

I giunti weld-bonded presentano un netto incremento della resistenza in confronto ai semplicemente saldati a punti e comunque anche rispetto ai semplicemente incollati (effetto sinergico)

Per quanto riguarda i giunti rivet-, SPR- e clinch-bonded, il contributo alla resistenza da parte dell’adesivo è più elevato che nei weld-bonded e non si ha effetto sinergico.

Forte riduzione della dipendenza della resistenza dalla temperatura e dall’invecchiamento dei weld-bonded in confronto ai semplicemente incollati, mentre a riduzione è minore nel caso dei rivet-, SPR- e clinch-bonded (maggiore importanza dell’adesivo)

Per la rigidezza valgono considerazioni simili, mentre l’assorbimento di energia aumenta in ogni caso.

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Esempi

Property ValueStiffness [N/mm] 33005Maximum Load [N] 14886Energy Absorption [J] 8.75

Solution A Solution B Solution CPitch [mm] 45 70 45Thickness [mm] 1.65 2 2Stiffness [N/mm] 35167 +6.6% 35420 +7.3% 36548 +10.7%Maximum Load [N] 15071 +1.2% 14839 -0.3% 17308 +16.3%Energy Absorption [J] 75.9 +767% 97.6 +1015% 97.6 +1015%

Hybrid

Solution A Solution BWelding costs = -36%Material costs -12,5% =

Example 1: welded joint, steel substrates, 2 mm sheet thickness, 45mm pitch

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Property ValueStiffness [N/mm] 31611Maximum Load [N] 9917Energy Absorption [J] 3.26

Solution APitch [mm] 60Thickness [mm] 1.5Stiffness [N/mm] 33073 +5%Maximum Load [N] 11600 +17%Energy Absorption [J] 66.6 +1943%

Example 2: Bonded joint at 90°C, 1.5mm thick steel substrates

Hybrid, Weld-bonded

Esempi

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Attività in corso e prospettive

Simulazione danneggiamento e cedimento quasi-statico giunti weldbonded (rivet- e clinch-bonded già approcciati lo scorso anno)

Proposta PRIN 2007 con RE (capofila), TO, GE: non ammessa al cofinanziamento. Rilanciare in futuro? Puntare su valutazione resistenza a fatica?

Simulazione a fatica con modello di zona coesiva

Modello di zona coesiva

Modello micromeccanico per la previsione della propagazione di difetti

Distribuzione tensioni all’apice del difetto

Relazione tensioni apertura Risposta degradata

Risposta elastica

Modello di zona coesiva e fatica

0

0

f

fd

Degrado della rigidezza (Lemaitre, 1985)

Ad

Ae -Ad

0

1Ad K

dAe K

dNdAd

dAddd

dNdd

1dddAd Ae

Aczi

i

dNdAd

NdAd

*i

CZi Acz

dA dAd dAdndN dN dN

NdAd

Acz

AeNd

AdndN

dAdCZ

1

Omogeneizzazione del danno

1 mdd C GdN Acz Legge di Paris

[*] Turon, Costa, Camanho, Dàvila, Simulation of delamination in composites under high-cycle fatigue. Composites 38 (2007), 2270-2282

A = superficiedel difetto

NddA

ANddd

CZ

1

Valutazione Tasso Rilascio Energia

Increm. n

Increm. n+1

Giunto DCB – substrati in acciaio

CZBC - Simmetria

F

Avanzamento del difetto

An+1 - An = dA

(W - U)n+1 - (W - U)n = d(W-U)

ivis

i Acz

A A Ad

dA

UWdG

Avis

Avis

i

i Acz

Ad

i

i Acz

Ad

Valutazione Fattore Rilascio Energia

Validazione metodo di calcolo

Limite di validità relazione analitica

Implementazione nel programma EF

Hyp: Massima variazione del danno per ogni incremento ΔdEquivalenza Incremento-Numero di cicli ΔN

Schema di FunzionamentoAd ogni incremento si esegue il loop:

Distribuzione danno incremento n

Distribuzione danno incremento n+1

Per ogni punto d’integrazione

Dati sperimentali

Taratura parametri zona coesiva (confronto con test DCB)

Parametri della legge di Paris (da prove di propagazione su giunti DCB)

Parametro ValoreC 5.19m 3.64

Parametro ValoreГ [N/mm] 0.6

σmax [MPa] 30

δ0 [mm] 0.004

δC [mm] 0.04

Risultati

Discontinuità nei primi incrementi

Pendenza prossima a quella sperimentale

estensione del funzionamento per diversi modi di sollecitazione e diverse geometrie

identificazione di nuove leggi di omogeneizzazione del danno all’interno della zona coesiva

proposta PRIN 2008 con PD (capofila, Prof. Galvanetto), RE, TO, Cassino: in fase di valutazione

abstract per progetto FP7-Aerospazio attraverso EASN (European Aeronautic Science Network), stessa compagine PRIN, partner stranieri da individuare con l’aiuto di EASN: valutazione di fattibilità entro l’estate

Attività in corso e prospettive

Progettazione statica ed a fatica incollaggi

Progetto Poli MI (responsabili Prof. S. Beretta, Ing. A. Bernasconi) • Applicazione- Elemento strutturale con giunzioni composito-composito e metallo-metallo

- Laminato tessuto grafite-epoxy, acciaio, adesivo epossidico strutturale

[Goglio, Rossetto, Dragoni, AIAS ‘02, Parma]

• Flow-chart del progetto (statico e a fatica)

Provini

Lap shear rastremato

TC 110.8 mm

Lap shear 2 inches

LS 50.8 mm

Lap shear 1 inch

LS 24.5 mm

Lap shear 1 inch acciaio

SC 25.4 mm

Risultati: resistenza statica

zona di sicurezza

(resistenza statica)

max

max

prove di frattura in Modo I

Risultati: resistenza a fatica

max

max

Nucleazione vs. propagazione a fatica

Tipo di giunto NTOT Ni Ni / NTOT

LS 25.4 mm 17200 500 0.03

TC 110.8 mm 18700 3000 0.16

TC 110.8 mm 140500 25000 0.18

Test di tenacità a frattura e propagazione di difetti a fatica

Direzione avanzamento difetto

Zona nonincollata

Propagazione nel composito

Propagazione nell’adesivo

Obbiettvo:

previsione della durata a fatica

Educational

• Progetto 2008: elementi incollati

• Progetto 2009: elementi incollati

- Semiassi

- Piantone di sterzo

- Attacco scatola sterzo+

That’s all Folks!(per quest’anno....)