Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/12906
Title: Πειραματική μελέτη της διαστρωματικής θραυστομηχανικής συμπεριφοράς τύπου I και II μηχανικών συνδέσεων με κόλλα με εφαρμογή στην αεροναυπηγική
Other Titles: Experimental study of interface fracture toughness of mode I and II mechanical adhesives joint with application in aeronautics
Authors: Πέγκος, Δημήτριος
Keywords: Σύνθετα υλικά
Σύνδεσμοι με κόλλα
Πειραματα τύπου I και II
Keywords (translated): Composite materials
Adhesive joint
Experiments Mode I and II
Abstract: Η μελέτη της θραυστομηχανικής συμπεριφοράς ενός μηχανικού κολλητού συνδέσμου (structural adhesive joint) είναι σημαντική για τον χαρακτηρισμό τόσο της κόλλας όσο και ολόκληρου του συνδέσμου, με απότερο σκοπό την βελτίωση του σχεδιασμού δομών στις κατασκευές του μηχανικού. Μέσω των κλασσικών στατικών θραυστομηχανικών δοκιμών τύπου I και II, σε συνδυασμό με πειράματα δυναμικής φόρτισης, μπορούν να προκύψουν σημαντικά δεδομένα για την καταλληλότητα των υλικών και της γεωμετρίας του συνδέσμου, καθώς και για τους μηχανισμούς που οδηγούν στην αποκόλληση/αστοχία του συνδέσμου κατά τη φόρτιση. Στην παρούσα εργασία μελετάται η θραυστομηχανική συμπεριφορά τύπου Ι και ΙΙ ενός κολλητού συνδέσμου μεταξύ τιτανίου και συνθέτου υλικού (carbon fiber reinforced plastic, CFRP). Μελετώνται τέσσερις χαρακτηριστικές τεχνολογίες για την κατασκευή του συνδέσμου τιτανίου-συθέτου υλικού, co-bonding με και χωρίς χρήση κόλλας, αλλά και secondary bonding χρησιμοποιώντας είτε θερμοπλαστικό είτε θερμοσκληρυνόμενο σύνθετο υλικό. Τα δοκίμια που μελετήθηκαν υποβλήθηκαν σε θραυστομηχανικά τεστ τύπου I και II χρησιμοποιώντας τις διατάξεις double cantilever beam (DCB) και end-notched flexure (ENF). Πραγματοποιήθηκε κατάλληλη προετοιμασία των δοκιμίων που περιλάμβανε τον καθαρισμό τους από την περίσσεια ρητίνης στην πλαϊνή πλευρά όπου επρόκειτο να λάβει χώρα παρακολούθηση της ρωγμής, καθώς και βάψιμό τους για τη χρήση του λογισμικού digital image correlation (DIC). Σε κατάλληλες θέσεις πάνω στα δοκίμια κολλήθηκαν ινκλινόμετρα για την μέτρηση των απαιτούμενων κλίσεων (γωνιών) κατά το τεστ, με σκοπό τον υπολογισμό του ρυθμού απελευθέρωσης ενέργειας παραμόρφωσης (strain energy release rate, SERR) με τη μέθοδο μη-γραμμικής θραυστομηχανικής J-integral. Ο υπολογισμός της δυσθραυστότητας του παρώντος κολλητού σύνδεσμου τιτανίου-συνθέτου υλικού φέρει κάποιες προκλήσεις, λόγω της ανομοιομορφίας στη γεωμετρία και τα υλικά, καθώς και στην παρουσία μη αμελητέων εκ κατασκευής εναπομενουσών θερμικών τάσεων. Ο υπολογισμός της δυσθραυστότητας του συνδέσμου γίνεται με δύο μεθόδους, (α) τη μέθοδο J-integral, καθώς και (β) με μια μέθοδο που αναπτύχθηκε πρόσφατα στο εργαστήριο (βλ. Tsokanas and Loutas (2019) Eng. Fract. Mech.). Η δεύτερη μέθοδος λαμβάνει υπόψιν τις προαναφερθείσες «ιδιαιτερότητες» του συνδέσμου. Η μελέτη του ρυθμού απελευθέρωσης ενέργειας για τους δύο τύπους δοκιμών και τις τέσσερις τεχνολογίες κατασκευής που εξετάστηκαν μπορούν να συμβάλλουν στην επιλογή της κατάλληλης μεθόδου κατασκευής αλλά και στην καταλληλότητα εν τέλει του συνδέσμου για την εφαρμογή του σε αεροναυπηγικές κατασκευές. Επιπρόσθετα, μελετήθηκαν οι επιφάνειες θραύσης των δοκιμίων για την εξαγωγή των μηχανισμών θραύσης. Ο προσδιορισμός των μηχανισμών θραύσης του συνδέσμου συμβάλει στον προσδιορισμό της βέλτιστης τεχνολογίας κατασκευής του συνδέσμου αυτού. Τέλος, με τη χρήση μικροσκοπίου πραγματοποιήθηκε απεικόνιση της πλαϊνής πλευράς της επιφάνειας θραύσης με σκοπό την εμβάθυνση στους μικρο-μηχανισμούς προοδευτικής ανάπτυξης της ρωγμής.
Abstract (translated): The study of the fracture toughness behavior of a structural adhesive joint is important for characterizing both the adhesive and the entire joint, with the aim of improving the design of structures in engineer constructions. Through classical static tests type I and II, in combination with dynamic loading experiments, important data can be obtained on the suitability of the materials and geometry of the joint, as well as on the mechanisms leading to the detachment / failure of the joint during loading . In this work, we study the type I and II fracture toughness behavior of a carbon fiber reinforced plastic (CFRP) bonding adhesive. Four different industrial technologies for the joining of titanium-composite material, co-bonding with or without glue, and secondary bonding using either thermoplastic or thermosetting composites are studied. The under study specimens were tested to type I and II fracture toughness tests using double cantilever beam (DCB) and end-notched flexure (ENF) devices. Appropriate preparation of the specimens was performed, which included cleaning the excess resin on the side where the crack was to be monitored, and painting them for use with digital image correlation (DIC) software. Inclinometers were glued at appropriate positions on the specimens to measure the required angles during the test, in order to calculate the strain energy release rate (SERR) using the nonlinear J-integral method. The calculation of the breakability of the present adhesive titanium-composite material has some challenges, due to the geometrical and material inequalities, and the presence of non-negligible residual thermal stresses. The breakage of the joint is calculated by two methods, (a) the J-integral method, and (b) a method recently developed in the laboratory (see Tsokanas and Loutas (2019) Eng. Fract. Mech.). The second method takes into account the aforementioned "particularities" of the joint. Studying the energy release rate for the two types of tests and the four different industrial technologies examined can contribute to the choice of the appropriate industrial method and ultimately to the suitability of the joint for its application in aeronautics. In addition, the fracture surfaces of the specimens for the extraction of the fracture mechanisms were studied. The identification of the crushing mechanisms of the joint helps to determine the optimum manufacturing technology of this joint. Finally, a microscope was used to visualize the side of the fracture surface in order to deepen the mechanisms of progressive crack development.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικ. (ΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
''Διπλωματική_Εργασία_Πέγκος_Δημήτριος.pdf4.03 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons