Finite element analysis of adhesive bonds using the cohesive zone modeling method

Abstract

This paper covers the subject of FE modeling of adhesive joints, which is gaining more and more attention in contemporary industry, especially in the aerospace and automotive sectors. This technique of creating structural connections possesses many advantages over mechanical or welding methods and it seems that it will be exploited extensively in the future mechanical design. The ability of joining dissimilar materials decreased minimum member cross-section size and corrosion inertness can be considered as its most important features. However, in the era of virtual prototyping, it is necessary to conduct reliable computer-assisted analyses of these types of joints. It is because most of the contemporary structures are developed as numerical models first, and only the final pro duct is prototyped physically, to validate the simulation results. The aim of this paper is to demonstrate how to elaborate reliable and accurate adhesive joint models, using a cohesive zone modeling (CZM) method in conjunction with shell-based models. The major profitable consequence of using this modeling technique is that it results in a relatively small number of spatial degrees of freedom, therefore allows for short computational times.

Niniejszy artykuł opisuje metodę modelowania numerycznego połączeń adhezyjnych, które w ostatnim czasie zysku ją dużą popularność, szczególnie w przemyśle lotniczym i samochodowym. Ta metoda spajania elementów konstrukcyjnych ma wiele zalet przewyższających tradycyjnie wykorzystywane połączenia mechaniczne oraz spawanie. Do najważniejszych zaliczyć można możliwość łączenia materiałów o odmiennym składzie chemicznym, możliwość zmniejszenia minimalnego wymiaru przekroju poprzecznego łączonych elementów oraz odizolowanie łączonych elementów, co chroni je przed korozją elektrochemiczną. Współczesne trendy projektowania zakładają pełny rozwój konstrukcji w formie modeli komputerowych, a rzeczywisty prototyp powstaje dopiero jako produkt finalny, służąc walidacji otrzymanych wyników. Dlatego też, celem badań opisanych w niniejszej pracy było przedstawienie wy korzystania modelu połączenia adhezyjnego zbudowanego na podstawie elementów typu powłokowe, oddającego w dokładny sposób zachowanie tego rodzaju spoin. W artykule opisano wykorzystanie metody modelowania kohezyjnego (CZM), której podstawową zaletą jest możliwość implementacji nawet w złożonych przypadkach, bez znacznego wydłużenia czasu ich analiz.