Shear fatigue of adhesively bonded frictional interfaces in high-strength steel
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (monograph)
| Defence date: 2014-11-28
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2014
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
129
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 136/2014
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.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.Description
Supervising professor
Marquis, Gary, Prof., Aalto University, Department of Applied Mechanics, FinlandKeywords
adhesive bonding, hybrid joining, interface fracture, fatigue testing, cohesive zone modelling, damage mechanics, liimaliitos, hybridiliitos, rajapintamurtuma, väsymiskokeet, koheesiomallinnus, vauriomekaniikka
