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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
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- Giunzioni incollate ibride- Simulazione fatica con modello di zona coesiva- Progettazione statica ed a fatica incollaggi- Educational
• Attività 2008-2009
OUTLINE
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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 +
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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?
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Simulazione a fatica con modello di zona coesiva
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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
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Modello di zona coesiva e fatica
0
0
f
fd
Degrado della rigidezza (Lemaitre, 1985)
Ad
Ae -Ad
0
1Ad K
dAe K
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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
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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
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Valutazione Fattore Rilascio Energia
Validazione metodo di calcolo
Limite di validità relazione analitica
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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
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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
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Risultati
Discontinuità nei primi incrementi
Pendenza prossima a quella sperimentale
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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
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Progettazione statica ed a fatica incollaggi
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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)
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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
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Risultati: resistenza statica
zona di sicurezza
(resistenza statica)
max
max
prove di frattura in Modo I
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Risultati: resistenza a fatica
max
max
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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
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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
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Educational
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• Progetto 2008: elementi incollati
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• Progetto 2009: elementi incollati
- Semiassi
- Piantone di sterzo
- Attacco scatola sterzo+
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That’s all Folks!(per quest’anno....)