Modelling of damage evolution in adhesive metal-composite structures for various joint designs

Abstract

A viscoelastic model with the Lemaitre-type damage is applied to simulate the mechanical behaviour of the contact zone of an adhesive aluminum/fiber-reinforced polymer specimen. The damage evolution in this light weight engineering structure is investigated. The joints of aluminium alloy 5754 (AA5754) and carbon fibre reinforced thermoplastic composite CF-PA66 are manufactured by means of adhesion with an epoxy (1K-EP). The contact zone is considered as an interface material. The aim of the research is to study the influence of the interface geometry on the mechanical characteristics of the structure. The finite element method is used to simulate the complex processes in the joint. The aluminium substrate is modeled as an elastoplastic continuum with linear (isotropic) hardening. The polymer composite possesses an orthotropic elastic behaviour. A solid interface approach is used for the discretisation of the damage domain. It is shown that damage evolution depends on the geometry of the interface. The present work contains the numerical analysis of fracture processes in adhesive specimens with square, rectangular- and circle-shaped geometry of the joint.

Lepkosprężysty model z uszkodzeniem typu Lemaitre'a jest stosowany w symulacji zachowania strefy kontaktu adhezyjnego w próbce glinu połączonego z polimerem zbrojonym włóknami. Badana jest ewolucja uszkodzenia w takiej lekkiej konstrukcji. Połączenia stopu glinu AA5754 i termoplastycznego kompozytu zbrojonego włóknami węglowymi CF-PA66 są wykonywane przy użyciu epoksydowej warstwy adhezyjnej 1K-EP. Strefa kontaktu jest traktowana jako materiał interfejsowy. Celem badań jest analiza wpływu geometrii interfejsu na własności mechaniczne próbki. Metoda elementów skończonych służy do symulacji skomplikowanych procesów zachodzących w połączeniu. Glin jest modelowany jako materiał sprężysto-plastyczny z liniowym wzmocnieniem izotropowym. Kompozyt polimerowy wykazuje ortotropowe zachowanie sprężyste. Przy dyskretyzacji warstwy adhezyjnej wykazującej uszkodzenie stosowane jest podejście interfejsu ciał stałych. Pokazano, że ewolucja uszkodzenia zależy od geometrii tego interfejsu. Praca zawiera analizę numeryczną procesu destrukcji próbek z kwadratowym, prostokątnym i okrągłym kształtem strefy adhezyjnej.