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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.18.2022.tde-05052023-082611
Document
Author
Full name
Fernando Madureira
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2022
Supervisor
Committee
Tita, Volnei (President)
Banea, Doina Mariana
Barros, Silvio Romero de
Freitas, Sofia Teixeira de
Silva, Lucas Filipe Martins da
 
Title in Portuguese
Investigação de metodologias empregadas para obtenção da taxa de energia de deformação de juntas coladas em modo I e II
Keywords in Portuguese
juntas coladas
Modo I
Modo II
taxa de liberação de energia de deformação
trinca equivalente
Abstract in Portuguese
A existência de técnicas confiáveis para previsão da resistência de uma junta colada contendo uma trinca é essencial para a validação de um projeto estrutural. O conhecimento da distribuição de tensões na camada adesiva, do ponto de vista da Mecânica da Fratura, é fundamental, bem como o conhecimento da taxa de liberação de energia de deformação (Gc) do adesivo, que resumidamente representa a energia necessária para a propagação de uma trinca existente no material. Desta maneira, neste trabalho foi realizada uma investigação dos métodos normatizados em obter a taxa de liberação de energia de deformação de juntas Double Cantilever Beam (DCB) e End Notched Flexure (ENF), respectivamente sob carregamentos submetidos a Modos I e II. Utilizando um modelo computacional como referência foi realizada uma análise crítica para investigar as limitações dos métodos normatizados na previsão dos valores do compliance de juntas DCB, considerando diferentes comprimentos de trincas. Os resultados mostraram que a correção recomendada pela teoria de vigas corrigida para considerar efeitos de cisalhamento transversal não foi adequada em prever o compliance de juntas DCB. A análise crítica mostrou que a abordagem recomendada pela teoria corrigida de vigas (CBT) para se obter o fator de correção Δ utilizando a curva C1/3 versus a experimental, pode resultar na obtenção de grandes valores de Δ e, por consequência, induzir erros nos valores previstos do compliance, e na previsão incorreta do módulo elástico da viga, quando esta é recalculada pela metodologia CBT. Por fim, concluiu-se que a interpretação do fator é mais complexa do que apenas uma correção para o comprimento da trinca, e sua obtenção deve ser, quando possível, estimada analiticamente. Como considerações relevantes, deve-se ter ciência de que o comprimento de trinca é o fator mais crítico ao se avaliar o compliance e GIc de uma junta DCB. Desta maneira, a utilização de uma trinca equivalente, obtida através do compliance experimental, pode simplificar os cálculos da taxa de liberação de energia de deformação de juntas DCB submetidas ao Modo I, entretanto, se torna menos eficiente quando utilizada em ensaios submetidos ao Modo II. De acordo com o exposto, constata-se que, apesar dos ensaios em Modo I e II serem relativamente simples, os fatores envolvidos para obtenção adequada das propriedades de fratura de uma junta adesiva são bem mais complexos, desta maneira, a influência de suas variáveis podem ser melhor compreendidas através do estudo realizado neste trabalho.
 
Title in English
Investigation of methodologies to obtain the strain energy release rate of bonded joints under Mode I and II
Keywords in English
bonded joints
compliance methods
Double Cantilever Beam
end notched flexure
equivalent crack
strain energy release rate
Abstract in English
The Double Cantilever Beam (DCB) and the End Notched Flexure (ENF) tests are the most common to obtain the critical strain energy release rate, GIc and GIIc, respectively for adhesive joints under Mode I and II. However, there are still some areas of uncertainty in the standardized compliance methods recommended by the ISO and ASTM standards in terms of accuracy in estimating the compliance of a bonded double cantilever beam and, consequently, GIc. In this work, an investigation of the standardized compliance methods for fracture characterization of bonded joints under Mode I and II is conducted, employing a finite element model to obtain the compliance of a DCB and ENF bonded joint, considering different crack lengths. The compliance values determined from the finite element model are compared with those recommended by the standards. It is concluded that the standardized compliance methods are very sensitive to issues derived from crack length measurements. The crack length correction methodology proposed by the corrected beam theory (CBT) is inadequate, which can lead to a wrong interpretation of the structure's behavior and the structural integrity assessment. Complementary, the present work investigates the equivalent crack methodology by considering the DCB and ENF tests to obtain the strain energy release rate of adhesive joints, using different compliance methods rather than the Compliance Based Beam Model (CBBM). This procedure allows the determination of the crack length based on the compliance of the specimen, which avoids crack growth monitoring during tests. The compliance values predicted by the analytical methods were studied and compared with a computational model, considering different crack lengths. Results showed that the preciseness of the crack length obtained by the equivalent crack method relies on the accuracy of the respective compliance method in predicting the load-displacement curve of a bonded double cantilever beam or end-notched flexure test. The Euler-Bernoulli and Timoshenko beam models are not recommended to obtain an equivalent crack length based on the specimen's compliance since they overestimate the actual crack length. For Mode I tests, best crack length predictions were obtained using compliance methods based on the beam-on-elastic foundation models, including an elastic interface to model the adhesive layer joint. Additionally, for Mode I tests, similar strain energy release rate results were found for different compliance methods when using the equivalent crack methodology. In contrast, the CBBM method proved to be the most recommended for Mode II tests.
 
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Publishing Date
2023-05-05
 
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