AIAS Meeting Gruppo di Lavoro Tecnologie di Giunzione Reggio Emilia, 16-17 Aprile 2009
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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
- Giunzioni incollate ibride- Simulazione fatica con modello di zona coesiva- Progettazione statica ed a fatica incollaggi- Educational
• Attività 2008-2009
OUTLINE
Giunzioni incollate ibride
4/18
Rivettatura
Rivettatura Autoperforante
Tecniche di giunzione meccanica per lamiere
Saldatura a resistenzaClinciatura
+ incollaggio = giunto ibrido !
5/18
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.
8/16
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
9/16
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....)