Numerical crack nucleation and propagation analyses of bonded joints

Abstract

Delamination and debonding are typical interface failures that may endanger the structural integrity of laminated and adhesively bonded structures. Two numerical fracture analysis methods, the virtual crack closure technique (VCCT) and the cohesive zone model (CZM), are commonly used tools to criticality analyse such failures. The objective of this thesis work is to study the limitations of the VCCT and the CZM and to extend their applicability. The work consists of four case studies. The first two studies focus on the VCCT that is typically used in crack propagation analyses when material plasticity can be ignored. The possibility to use the method in analyses of adhesively bonded joints with a yielding adhesive and with yielding adherends is studied with analysis cases of double cantilever beam (DCB) and wedge peel test specimens. The experimental results provided a reference for the analyses. In the third study, a method combining the CZM and the VCCT is developed for crack nucleation and propagation analyses. The applicability of the method is studied with analyses of the DCB test. The final study concentrates on fracture models of hybrid laminates under mixed-mode loading and thermal stresses. A hybrid laminate cracked lap shear (CLS) specimen was analysed in the study by using the VCCT, the CZM and their combination. The thesis work indicates that the VCCT is a feasible analysis method for crack propagation analyses of a DCB specimen with a yielding adhesive. Comparing to analytical (initial crack length) solutions, the VCCT also improves correlation with experimental data when plasticity exists in the adherends of a wedge peel test specimen. The developed combined CZM-VCCT method is feasible for analysing the crack nucleation and propagation phases of the DCB specimen. The combined method is also able to estimate crack onset for a hybrid laminate CLS specimen. The hybrid laminate study further indicates that the CZM is feasible and the VCCT is unfeasible for analyses of hybrid laminates with thermal loading.

Delaminaatiot ja liimaliitosten murtumiset ovat yleisiä rajapintavaurioita, jotka voivat merkittävästi alentaa rakenteiden kuormankantokykyä. Vaurioiden kriittisyyttä arvioidaan tyypillisesti numeerisilla analyysimenetelmillä, joista kaksi yleisintä ovat virtuaalisen särön sulkemismenetelmä (Virtual Crack Closure Technique, VCCT) ja koheesioelementit (Cohesive Zone Modelling, CZM). Väitöskirjan tavoitteena on tarkastella kyseisten menetelmien rajoituksia ja laajentaa niiden käytettävyyttä. Työ jakautuu neljään osatutkimukseen. Kahdessa ensimmäisessä tarkastelun kohteena on VCCT-menetelmä, jonka käyttö rajoittuu tavallisesti elastisten rakenteiden särönkasvutarkasteluihin. Tutkimuksessa selvitetään menetelmän toimivuutta, kun liimaliitoksen liimassa tai liimattavissa kappaleissa esiintyy plastisuutta. Toimivuutta tarkastellaan analysoimalla standardien mukaisia liimakoekappaleita ja vertaamalla laskennan tuloksia kokeissa mitattuihin tuloksiin. Kolmannessa osatutkimuksessa tarkastelun kohteena on CZM- ja VCCT-menetelmien yhdistelmä. Työssä kehitetyssä menetelmässä koheesioelementtejä käytetään särön muodostumisen analysointiin ja VCCT:tä särön kasvun analysointiin. Menetelmän toimivuutta tarkastellaan vertaamalla standardikoekappaleen laskentatuloksia koetuloksiin ja muiden laskentamenetelmien antamiin tuloksiin. Väitöskirjan viimeisessä osatutkimuksessa tarkastellaan särön syntyä ja kasvua lämpöjännitysten ja mekaanisen kuorman rasittamassa, hybridilaminaatista valmistetussa koekappaleessa. CZM-, VCCT- ja yhdistelmämenetelmillä laskettujen tulosten hyvyyttä arvioidaan vertaamalla niitä koetuloksiin. Tutkimus osoittaa, että VCCT-menetelmä soveltuu tarkastelutapausta vastaavien liimaliitosten analyysiin myös silloin, kun liima-aine myötää kuormituksen vaikutuksesta. VCCT antaa myös analyyttisiin laskentamenetelmiin verrattuna paremman tuloksen säröpituudelle, kun tarkastelun kohteena on koekappale, jossa liimatut metallilevyt myötävät. Kehitetyn CZM-VCCT yhdistelmämenetelmän todetaan antavan kokeita vastaavia tuloksia tarkastellulle koekappaleelle eri särön kasvun vaiheissa. Yhdistelmämenetelmällä on mahdollista arvioida myös särön muodostumista hybridilaminaatista valmistetussa, lämpöjännitysten ja mekaanisen kuorman rasittamassa koekappaleessa. Myös CZM-menetelmä todetaan tähän tarkoitukseen soveltuvaksi, kun taas VCCT-menetelmällä ei voida analysoida kyseisen tyyppistä kuormitustapausta.