Shear fatigue of adhesively bonded frictional interfaces in high-strength steel

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.author Hurme, Susanna
dc.date.accessioned 2014-09-22T09:00:13Z
dc.date.available 2014-09-22T09:00:13Z
dc.date.issued 2014
dc.identifier.isbn 978-952-60-5851-1 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5850-4 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/14032
dc.description.abstract This thesis presents new experimental data, physical observations and a new analytical model relevant for the design of bonded/bolted hybrid joints in high-strength steel plates subjected to cyclic shear loading. Hybrid joints can have improved fatigue endurance as compared to welded connections of similar geometries but, thus far, adequate research data has not been available. A procedure, linking the interface characterisation and the stress analysis of the full-scale joint, is presented in this thesis. The procedure can be readily adopted for product development involving the bonded/bolted hybrid joint. Further understanding of the physical processes of failure in the bonded and clamped interface is obtained by a scanning electron microscopy study of the adhesive layer at different stages of fatigue life. Failure of the bonded/bolted joint occurs at the bonded interface where the total strength is a combination of cohesive and frictional forces. In this thesis, a new experimental method is introduced for characterising the idealised bonded and clamped interface under shear fatigue loading. The experimental method is based on the modified napkin ring specimen, which involves a bonded annular contact interface subjected to a well-defined and uniform stress state of constant normal stress and alternating shear stress. Experiments are used to identify the fatigue failure processes in the bonded and clamped interface under different clamping stresses, as well as the fatigue strength using a statistical method. Fatigue strength of the interface is then utilised to estimate the fatigue strength of a full-scale bonded/bolted double lap joint. The interface stress state in the full-scale joint is estimated using the finite element method using the cohesive zone model defined as contact definition at the interface. Parameters for the cohesive law are obtained from quasi-static fracture experiments on the modified napkin ring specimen. The damage state in the adhesive is shown to consist of several microstructurally small cracks of different lengths and orientations. An exponential distribution which evolves with the number of fatigue cycles is suggested for describing the true damage state in the material. However, the evolution of damage, i.e., the growth, interaction and coalescence of the short cracks is a complicated phenomenon with insufficient theoretical understanding in the field of fracture mechanics. Therefore, a phenomenological fatigue damage evolution model is developed where damage is measured directly from the change in the compliance of the modified napkin ring specimen. The cohesive zone law is re-formulated to include fatigue damage. The model is necessary for a more accurate fatigue assessment of the hybrid bonded/bolted joint. en
dc.description.abstract Väitöskirjatyö sisältää uutta tutkimustietoa erikoislujien terästen liimattujen ja pultattujen hybridiliitosten käyttäytymisestä syklisen leikkauskuormituksen alaisena. Liimatuilla ja pultatuilla liitoksilla voidaan mahdollisesti saavuttaa huomattavasti parempi väsymisenkesto, kuin hitsatuilla liitoksilla, mutta toistaiseksi niistä ei ole ollut saatavilla riittävästi tutkimustietoa. Tässä työssä esitellään menetelmä, jolla voidaan yhdistää idealisoidun rajapinnan kokeellisesti määritetyt mekaaniset ominaisuudet ja realistisen liitoksen jännitysanalyysi. Menetelmää voidaan suoraan hyödyntää hybridiliitosten tuotekehityksessä ja suunnittelussa. Lisäksi liimatun ja puristetun rajapinnan murtumista tarkastellaan kuvaamalla liimakerrosta elektronimikroskoopilla vaurion eri vaiheissa. Liitoksen murtuminen tapahtuu liimatulla rajapinnalla, jonka lujuus määräytyy liiman koheesiovoimien ja pulttien aiheuttaman kitkavoiman yhteisvaikutuksesta. Työssä esitellään uusi koemenetelmä idealisoidun liimatun ja puristetun rajapinnan tutkimiseen väsytyskuormituksen alaisena. Koejärjestelyä käyttäen tunnistetaan liimatussa kitkarajapinnassa vallitsevat vauriomekanismit sekä määritellään tilastollisen menetelmän avulla kokeellisesti rajapintojen väsymislujuudet, joita käytetään liimalla ja pultilla liitetyn kaksoislimiliitoksen väsymislujuuden arvioinnissa. Liitoksen rajapinnan jännitysjakauma ratkaistaan elementtimenetelmällä. Rajapinnan murtumisen mallintamiseen käytetään koheesiomenetelmää, jonka parametrit määritetään idealisoidun rajapinnan koekappaleilla käyttäen staattista kuormitusta. Liiman vaurion havaitaan koostuvan useista mikrorakenteellisesti lyhyistä säröistä, joilla on eri pituuksia ja orientaatioita. Säröjen pituuden ehdotetaan noudattavan eksponentiaalista jakaumaa, joka kehittyy väsytyskuormituksen mukana. Vaurion eteneminen on kuitenkin hyvin monimutkainen ilmiö, johon kuuluu lyhyiden säröjen kasvua, säröjen vuorovaikutusta toistensa kanssa sekä säröjen yhdentymistä. Nämä ovat ilmiöitä, joiden teoreettinen käsittely ei ole vielä täysin kehittynyt. Tästä syystä tässä työssä ehdotetaan lisäksi fenomenologista väsymisvauriomallia, jossa väsymisvaurio mitataan suoraan ideaalisen rajapinnan koekappaleen jäykkyyden muutoksesta. Rajapinnan staattisen murtuman mallintamiseen käytetty koheesiomalli muotoillaan uusiksi niin, että se sisältää väsymisvaurioparametrin vaikutuksen. Väsymisvauriomalli on tarpeellinen, kun halutaan arvioida tarkasti hybridiliitoksen väsymisen kestoa. fi
dc.format.extent 129
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 136/2014
dc.subject.other Mechanical engineering en
dc.title Shear fatigue of adhesively bonded frictional interfaces in high-strength steel en
dc.title Leikkausväsyminen erikoislujien terästen liimatuissa kitkaliitoksissa fi
dc.type G4 Monografiaväitöskirja fi
dc.contributor.school Insinööritieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Engineering en
dc.contributor.department Sovelletun mekaniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Applied Mechanics en
dc.subject.keyword adhesive bonding en
dc.subject.keyword hybrid joining en
dc.subject.keyword interface fracture en
dc.subject.keyword fatigue testing en
dc.subject.keyword cohesive zone modelling en
dc.subject.keyword damage mechanics en
dc.subject.keyword liimaliitos fi
dc.subject.keyword hybridiliitos fi
dc.subject.keyword rajapintamurtuma fi
dc.subject.keyword väsymiskokeet fi
dc.subject.keyword koheesiomallinnus fi
dc.subject.keyword vauriomekaniikka fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5851-1
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (monograph) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (monografia) fi
dc.contributor.supervisor Marquis, Gary, Prof., Aalto University, Department of Applied Mechanics, Finland
dc.opn Murakami, Yukitaka, Prof., Kyushu University, Japan
dc.opn Pirondi, Alessandro, Prof., University of Parma, Italy
dc.date.dateaccepted 2014-08-07
dc.contributor.lab Mechanics of Materials en
dc.contributor.lab Lujuusoppi fi
dc.rev Murakami, Yukitaka, Prof., Kyushu University, Japan
dc.rev Vormwald, Michael, Prof., Technische Universität Darmstadt, Germany
dc.date.defence 2014-11-28


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account