FEM analysis of stresses in under pulsating load adhesive layers

Abstract

Połączenia klejowe charakteryzuje ograniczona trwałość, w tym również zmęczeniowa. Celem przeprowadzonych badań było poszukiwanie zależności między trwałością zmęczeniową połączeń obciążonych na ścinanie a wartością maksymalnych naprężeń występujących w spoinach takich połączeń obciążonych zmęczeniowo. Wyznaczono eksperymentalnie wytrzymałość doraźną i trwałość zmęczeniową połączeń klejowych jedno- i dwuzakładkowych. W badaniach zmęczeniowych, próbki obciążano cyklem odzerowotętniącym, którego maksymalna wartość była równa 0,35 wartości obciążenia niszczącego. Próbki klejono klejem epoksydowym Epidian 57, utwardzanym trietylenotetraaminą w temperaturze otoczenia lub 60°C. Stosowano dwa sposoby przygotowania powierzchni do klejenia: trawienie lub schropowacanie płótnem ściernym oraz dwie grubości spoin klejowych 0,2 i 0,03 mm. Metodą elementów skończonych obliczono naprężenia w spoinach badanych próbek przy obciążeniu niszczącym i maksymalnym cyklu zmęczeniowego. Obliczenia prowadzono przy uwzględnieniu nieliniowych właściwości kleju i klejonych blach. Dla przeprowadzenia takich obliczeń niezbędne było wyznaczenie krzywych naprężenie-odkształcenie kleju i klejonych materiałów. Oceniono, jak zmiana obciążenia wpływa na zmianę maksymalnych naprężeń w spoinach oraz co wpływa na trwałość zmęczeniową połączeń klejowych. Wykazano, że nie występuje proporcjonalna zależność między wartością maksymalnych obciążeń połączenia a wartością maksymalnych naprężeń w spoinie klejowej. Stwierdzono, że trwałość zmęczeniowa spoin klejowych zależy istotnie od rodzaju połączenia, grubości spoiny i wartości maksymalnych naprężeń w spoinie, występujących w trakcie cyklu zmęczeniowego.The glued joints are characterized by limited durability and limited fatigue life. The search of relationship between fatigue life of joints subjected to shear and the values of maximal strengths in adhesive layers were the object of investigations. The immediate strength and the fatigue life were determined in experimental tests by means of simple single lap joints and simple double lap joints. In fatigue tests, the samples were loaded with pulsating load which maximal value was equal to 0.35 of the breaking load. The samples were glued with the epoxide adhesive Epidian 57 cured in room temperature or temperature 60°C. Two procedures of glued surfaces preparation (pickling or roughening by means of abrasive paper) and two thicknesses of adhesive layers were applied. The stresses in adhesive layers of the tested samples were calculated for destructive load and maximal pulsating load by means of finite elements method. The nonlinear properties of adhesive and glued sheets were taken into consideration for calculations. It was required to determine load-extension curves of adhesive and glued materials for these calculations. It was evaluated how the load change affected the change of maximal stresses in adhesive layers and what had an effect on fatigue life of glued joints. It was pointed out that it is not linear dependence between maximal load values of joints and maximal stress values in adhesive layers. It was found that the fatigue life of adhesive layers was essentially dependent on a joint type, adhesive layer thickness, and the maximal stress values in adhesive layers during fatigue stress cycle