AIAS
Meeting Gruppo di Lavoro
Tecnologie di Giunzione
Reggio Emilia, 16-17 Aprile 2009
Prof. Ing. Alessandro Pirondi, Ing. Fabrizio Moroni
Università di Parma, Dipartimento di Ingegneria Industriale
OUTLINE
•
Attività 2008-2009
- Giunzioni incollate ibride
- Simulazione fatica con modello di zona coesiva
- Progettazione statica ed a fatica incollaggi
- Educational
Giunzioni incollate ibride
Tecniche di giunzione meccanica per lamiere
Rivettatura
Clinciatura
Saldatura a resistenza
Rivettatura Autoperforante
+ incollaggio =
giunto ibrido !
4/18
Analisi DoE
Fattori non
controllabili xi
Analisi Giunti Ibridi
Risultati zk
Processo
Fattori controllabili yj
- Risultato:
Carico Massimo, Rigidezza, Energia di Rottura
- Fattori controllabili
Spessore aderendi / Materiale / Passo tra punti di fissaggio / Temperatura di
esercizio/Invecchiamento (ciclo VDA 621-415)
Analisi Fattoriale
Giunti saldati (stessi aderendi)
Adesivo:
1 piano di esperimenti per
ogni tipologia di giunto
Giunti rivettati, SPR, clinciati
(aderendi diversi)
Terokal 5077
1K Hot curing epoxy.
5/18
Fattori considerati / Livelli
Giunti omogenei
Fattore
Spessore
Materiale
Passo
Temperatura
Simbolo
A
B
C
D
Livelli
1.5 / 2.5 mm
Alluminio / Acciaio
30 / 60 mm
23 / 60 °C
Applicata riduzione ½
Analisi 24-1
Generatore riduzione
D = - ABC
Trattamento
0
cd
bd
bc
ad
ac
ab
abcd
Spessore -A
1.5 mm
1.5 mm
1.5 mm
1.5 mm
2.5 mm
+
2.5 mm
+
2.5 mm
+
2.5 mm
+
Substrato - B
Alluminio
Alluminio
Acciaio
+
Acciaio
+
Alluminio
Alluminio
Acciaio
+
Acciaio
+
Passo - C
30 mm
60 mm
+
30 mm
60 mm
+
30 mm
60 mm
+
30 mm
60 mm
+
Temper.
23°C
60°C
60°C
23°C
60°C
23°C
23°C
60°C
-D
+
+
+
+
Giunti eterogenei
Fattore
Spessore
Passo
Temperatura
1 pt.  p=60mm
Simbolo
A
C
D
Livelli
1.5 / 2.5 mm
30 / 60 mm
23 / 60 °C
2 pt.  p=30mm
Analisi fattoriale completa 23
Trattamento
Spessore - A
Passo - C
0
1.5 mm
-
30 mm
d
1.5 mm
-
c
1.5 mm
-
cd
1.5 mm
a
Temper. - D
-
23°C
-
30 mm
-
60°C
+
60 mm
+
23°C
-
-
60 mm
+
60°C
+
2.5 mm
+
30 mm
-
23°C
-
ad
2.5 mm
+
30 mm
-
60°C
+
ac
2.5 mm
+
60 mm
+
23°C
-
acd
2.5 mm
+
60 mm
+
60°C
+
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Sintesi risultati
I giunti weld-bonded presentano un netto incremento della resistenza
in confronto ai semplicemente saldati a punti e comunque anche rispetto
ai semplicemente incollati (effetto sinergico)
Per quanto riguarda i giunti rivet-, SPR- e clinch-bonded, il contributo
alla resistenza da parte dell’adesivo è più elevato che nei weld-bonded e
non si ha effetto sinergico.
Forte riduzione della dipendenza della resistenza dalla temperatura e
dall’invecchiamento dei weld-bonded in confronto ai semplicemente
incollati, mentre a riduzione è minore nel caso dei rivet-, SPR- e clinchbonded (maggiore importanza dell’adesivo)
 Per la rigidezza valgono considerazioni simili, mentre l’assorbimento di
energia aumenta in ogni caso.
Esempi
Example 1: welded joint, steel substrates, 2 mm sheet thickness, 45mm pitch
Property
Stiffness [N/mm]
Maximum Load [N]
Energy Absorption [J]
Value
33005
14886
8.75
Hybrid
Pitch [mm]
Thickness [mm]
Stiffness [N/mm]
Maximum Load [N]
Energy Absorption [J]
Solution A
45
1.65
35167
+6.6%
15071
+1.2%
75.9
+767%
Welding costs
Material costs
8/16
Solution B
70
2
35420
+7.3%
14839
-0.3%
97.6
+1015%
Solution A
=
-12,5%
Solution B
-36%
=
Solution C
45
2
36548
+10.7%
17308
+16.3%
97.6
+1015%
Esempi
Example 2: Bonded joint at 90°C, 1.5mm thick steel substrates
Property
Stiffness [N/mm]
Maximum Load [N]
Energy Absorption [J]
Value
31611
9917
3.26
Hybrid, Weld-bonded
Pitch [mm]
Thickness [mm]
Stiffness [N/mm]
Maximum Load [N]
Energy Absorption [J]
9/16
Solution A
60
1.5
+5%
33073
+17%
11600
+1943%
66.6
Attività in corso e prospettive
Simulazione danneggiamento e cedimento quasi-statico giunti
weldbonded (rivet- e clinch-bonded già approcciati lo scorso anno)
Proposta PRIN 2007 con RE (capofila), TO, GE: non ammessa
al cofinanziamento. Rilanciare in futuro? Puntare su valutazione
resistenza a fatica?
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Simulazione a fatica con modello di
zona coesiva
Modello di zona coesiva
Modello micromeccanico per la previsione della propagazione di difetti
Distribuzione tensioni all’apice del difetto
Relazione tensioni apertura
Risposta
elastica
Risposta
degradata
Modello di zona coesiva e fatica
Degrado della rigidezza (Lemaitre, 1985)
Ae -Ad
d
Ad
K
 1
Ae
K0
Ad
 f    0 
d
  f   0 
Omogeneizzazione del danno
dd
dN
 dd
dAd
dAd
A = superficie
del difetto
dN
dA
dd
dAd

1
Ae
dA
dN

dAd
dd
dN

1 dA
dN
ACZ

dN


iAcz
dAd i
iAcz
dN
Legge di Paris

dAd i
dN
dN
 nCZ dAd
dN
*
1 dA
Ae d A

d N Acz d N
nCZ
dd
dN

1
C G m
Acz
[*] Turon, Costa, Camanho, Dàvila, Simulation of delamination in composites
under high-cycle fatigue. Composites 38 (2007), 2270-2282
Valutazione Tasso Rilascio Energia
Giunto DCB – substrati in acciaio
CZ
F
BC - Simmetria
Avanzamento del difetto
Increm.
n

Ad i
Avis
iAcz
Increm.
n+1
(W - U)n+1 - (W - U)n = d(W-U)
An+1 - An = dA
d W  U 
G
dA

Ad i
Avis
iAcz
A  Avis 

iAcz
Ad i
Valutazione Fattore Rilascio Energia
Validazione metodo di calcolo
Limite di validità relazione analitica
Implementazione nel programma EF
Hyp:
Massima variazione del danno per ogni incremento Δd
Equivalenza Incremento-Numero di cicli ΔN
Schema di Funzionamento
Ad ogni incremento si esegue il loop:
Per ogni punto d’integrazione
Distribuzione danno
incremento n
Distribuzione danno
incremento n+1
Dati sperimentali
Taratura parametri zona coesiva
(confronto con test DCB)
Parametro
Г [N/mm]
σmax [MPa]
δ0 [mm]
δC [mm]
Valore
0.6
30
0.004
0.04
Parametri della legge di Paris (da
prove di propagazione su giunti DCB)
Parametro
C
m
Valore
5.19
3.64
Risultati
 Discontinuità nei primi incrementi
 Pendenza prossima a quella
sperimentale
Attività in corso e prospettive
 estensione del funzionamento per diversi modi di sollecitazione e
diverse geometrie
 identificazione di nuove leggi di omogeneizzazione del danno
all’interno della zona coesiva
 proposta PRIN 2008 con PD (capofila, Prof. Galvanetto), RE, TO,
Cassino: in fase di valutazione
 abstract per progetto FP7-Aerospazio attraverso EASN (European
Aeronautic Science Network), stessa compagine PRIN, partner
stranieri da individuare con l’aiuto di EASN: valutazione di fattibilità
entro l’estate
Progettazione statica ed a fatica
incollaggi
Progetto Poli MI (responsabili Prof. S.
Beretta, Ing. A. Bernasconi)
• Applicazione
- Elemento strutturale con giunzioni composito-composito e metallo-metallo
- Laminato tessuto grafite-epoxy, acciaio, adesivo epossidico strutturale
• Flow-chart del progetto (statico e a fatica)
[Goglio, Rossetto, Dragoni, AIAS ‘02, Parma]
Provini
Lap shear rastremato
Lap shear 1 inch acciaio
TC 110.8 mm
SC 25.4 mm
Lap shear 2 inches
Lap shear 1 inch
LS 50.8 mm
LS 24.5 mm
Risultati: resistenza statica
max

max 
zona di sicurezza
(resistenza statica)
prove di frattura in Modo I
Risultati: resistenza a fatica
max

max 
Nucleazione vs. propagazione a fatica
Tipo di giunto
NTOT
Ni
Ni / NTOT
LS 25.4 mm
17200
500
0.03
TC 110.8 mm
18700
3000
0.16
TC 110.8 mm
140500
25000
0.18
Test di tenacità a frattura e propagazione di
difetti a fatica
Propagazione nel
composito
Propagazione
nell’adesivo
Direzione avanzamento
difetto
Zona non
incollata
Obbiettvo:
previsione della durata a fatica
Educational
• Progetto 2008: elementi incollati
• Progetto 2009: elementi incollati
+
- Semiassi
- Piantone di sterzo
- Attacco scatola sterzo
That’s all Folks!
(per quest’anno....)