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

Fattori controllabili yj Analisi DoE Processo Risultati zk Fattori non controllabili xi Fattori controllabili yj Analisi Giunti Ibridi - 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) 1 piano di esperimenti per ogni tipologia di giunto Adesivo: Terokal 5077 1K Hot curing epoxy. Giunti rivettati, SPR, clinciati (aderendi diversi) 5/18

Fattori considerati / Livelli Giunti omogenei Applicata riduzione ½ Analisi 24-1 Generatore riduzione D = - ABC Fattore Simbolo Livelli Spessore A 1.5 / 2.5 mm Materiale B Alluminio / Acciaio Passo C 30 / 60 mm Temperatura D 23 / 60 °C Trattamento Spessore -A Substrato - B Passo - C Temper. - D 1.5 mm - Alluminio 30 mm 23°C cd 60 mm + 60°C bd Acciaio bc ad 2.5 mm ac ab abcd Giunti eterogenei Fattore Simbolo Livelli Spessore A 1.5 / 2.5 mm Passo C 30 / 60 mm Temperatura D 23 / 60 °C Analisi fattoriale completa 23 Trattamento Spessore - A Passo - C Temper. - D 1.5 mm - 30 mm 23°C d 60°C + c 60 mm cd a 2.5 mm ad ac acd 1 pt.  p=60mm 2 pt.  p=30mm 6/18

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 clinch-bonded (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 Value Stiffness [N/mm] 33005 Maximum Load [N] 14886 Energy Absorption [J] 8.75 Hybrid Solution A Solution B Solution C Pitch [mm] 45 70 Thickness [mm] 1.65 2 Stiffness [N/mm] 35167 +6.6% 35420 +7.3% 36548 +10.7% Maximum Load [N] 15071 +1.2% 14839 -0.3% 17308 +16.3% Energy Absorption [J] 75.9 +767% 97.6 +1015% $$ $$ Solution A Solution B Welding costs = -36% Material costs -12,5% 8/16 8

Esempi Example 2: Bonded joint at 90°C, 1.5mm thick steel substrates Property Value Stiffness [N/mm] 31611 Maximum Load [N] 9917 Energy Absorption [J] 3.26 Hybrid, Weld-bonded Solution A Pitch [mm] 60 Thickness [mm] 1.5 Stiffness [N/mm] 33073 +5% Maximum Load [N] 11600 +17% Energy Absorption [J] 66.6 +1943% 9/16 9

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? 10/16 10

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 degradata Risposta elastica

Modello di zona coesiva e fatica Degrado della rigidezza (Lemaitre, 1985) Ae -Ad Ad

Omogeneizzazione del danno A = superficie del difetto Legge di Paris [*] 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 F CZ BC - Simmetria Avanzamento del difetto Increm. n Avis Increm. n+1 Questa la intendevo per dire come si calcola G, noti gli U e i W e il dA per ogni incremento… (W - U)n+1 - (W - U)n = d(W-U) Avis An+1 - An = dA 15

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

Taratura parametri zona coesiva (confronto con test DCB) Dati sperimentali Taratura parametri zona coesiva (confronto con test DCB) Parametri della legge di Paris (da prove di propagazione su giunti DCB) Parametro Valore Г [N/mm] 0.6 σmax [MPa] 30 δ0 [mm] 0.004 δC [mm] 0.04 Parametro Valore C 5.19 m 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 1 inch LS 24.5 mm Lap shear 2 inches LS 50.8 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 140500 25000 0.18

Test di tenacità a frattura e propagazione di difetti a fatica Propagazione nel composito Propagazione nell’adesivo Zona non incollata Direzione avanzamento difetto 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....)