The effects of design parameters on the strength of adhesively bonded single lap joints

Tasarım parametrelerinin tek tesirli yapıştırma bağlantılarının dayanımına etkileri

PDF İndir

Tez No: 553702
Yazar: TİMUR SOĞANCI
Danışmanlar: ÖĞR. GÖR. SÜREYYA ERGÜN BOZDAĞ
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2019
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 293

Özet

Silah üretiminden, yapı inşasına kadar, yapışkanlar tarih boyunca birçok mühendislik alanında kullanılmıştır. Günümüzde, yapısal yapışkanlar avantajlarından dolayı, metal ve kompozit malzemeleri birleştirmek için kullanılmaktadır. Her geçen gün, potansiyel kullanım alanları artmakta ve daha geleneksel bir birleştirme metodu haline gelmektedir. Mühendislik alanındaki gelişmeler ve rekabetçi ortam koşulları tasarımların daha zorlayıcı ve verimli olmasına sebebiyet vermektedir. Yapışkanlar, geleneksel diğer birleştirme metotlarının sağlayamadığı, kendilerine özgü avantajlar sunmaktadırlar. İlk bölümde, tezin amacı, motivasyon, hipotez ve literatür özeti yer almaktadır. Teknolojideki gelişmeler daha verimli tasarımları sunmakta ve yapıştırılmış bağlantılar bu beklentilerden bazılarını karşılamaktadır. Yapıştırılmış bağlantılardan faydalanabilmek için, tasarım değişkenlerinin araştırılması gerektiği düşünülmüştür. Tasarım parametrelerin yapıştırılmış bağlantıların dayanımına etkilerinin belirlenmesi tezin temel amacı olarak belirlenmiştir. Kullanılan yapışkan malzemesi iki bileşenli toklaştırılmış epoksi olarak belirlenmiş, kullanılan yapıştırılan parçalar sıcak haddelenmiş çelik olarak seçilmiştir. Bağlantı dayanımına etkileri ile ilgili öngörüler önceki çalışmalar ile belirlenmiştir. Literatürdeki önceki yapılmış çalışmalar incelenmiş ve basılmış olanlar arasından bazıları seçilmiş ve literatür özeti başlığı altında bahsedilmiş, deney başlıklarının altında daha detaylı olarak incelenmiştir. Tezin ikinci bölümünde, yapışkanların tarihsel geçmiş özetlenmiştir. Yapışmayı açıklayan yapışma teorilerinden bahsedilmiştir. Malzemeler için, metaller ve kompozit malzemeler gibi, uygulama alanları için ise, otomobiller ve uçan araçlar gibi, yapışkanların uygulanma alanlarından örnekler verilmiştir. Yapışkanların yardımı ile iyileştirilen tasarımlar olan melez (hibrit) bağlantıların örnekleri, incelenmiş ve faydaları belirtilmiştir. Üçüncü bölümde, yapıştırılan bağlantıların çözümleri ve yaklaşım çeşitleri incelenmiştir. Temel üç analitik çözüme yer verilmiştir. Gerilme tekilliği tanımı ve yapıştırılmış tek bindirmeli bağlantılar ile ilgili yapılan çalışmalardan bahsedilmiştir. Nümerik metotların tek bindirmeli bağlantılar için kullanımından bahsedilmiştir, problem kompleks olduğu için farklı çözümler dahil edilmiştir. Sürekli ortam mekaniği bazı araştırmacılar tarafından yetersiz bulunduğu için, kırılma mekaniği yaklaşımları üzerine kurulu çözümler de dâhil edilmiştir. Çalışma içinde kullanılmamasına rağmen, yapışık bölge modeli olarak adlandırılan, en ileri nümerik yaklaşım metodu anlatılmıştır. Dördüncü bölüme, test hazırlığı aşaması açıklanmıştır. Tek tesirli bindirme bağlantıları ve malzeme numuneleri hazırlama süreci anlatılmıştır. Yağlayıcı seçiminden yapıştırma fikstürlerinin hazırlanmasına kadar detaylı bir şekilde açıklanmıştır. Malzeme çekme testi sonuçlarına da yer verilmiştir. Beşinci bölümde, tezde kullanılan yöntem detaylı bir şekilde tanımlamıştır. Sebepler ve yönteme ilişkin kritik konular anlatılmıştır. Sonlu elemanlar analizleri için, ağ model yapımı ve kritik konular açıklanmıştır. İki tip sonlu elemanlar analizi yapılmıştır. İki-boyutlu sonlu elemanlar analizinde kullanılan üssel Drucker-Prager akma kriteri ve üç-boyutlu sonlu elemanlar analizinde kullanılan von Mises akma kriteri açıklamıştır. Mekaniği ve şekil değiştirme davranışı, iki-boyutlu sonlu elemanlar analizleri sonuçları ile; dayanım öngörüsü ise üç-boyutlu sonlu elemanlar analizleri sonuçları ile belirlenmesi amaçlanmıştır. Malzeme şekil değiştirme davranışının karmaşıklığından, karmaşık detaylı testlerin gereksiniminden ve ileri seviye sonlu elemanlar çözücü programı ihtiyacından dolayı, basitleştirilmiş bir malzeme modeli oluşturulmuştur. Basitleştirilmiş malzeme modelinin üç-boyutlu sonlu elemanlar analizlerinde kullanılması belirlenmiş ve hesaplanan gerilme değeri bir dayanım parametresi olarak tanımlanmıştır. İzlenecek olan prosedür, her adımı açıklamaları ile oluşturulmuştur. Altıncı bölümde, tasarım parametrelerinin yapıştırılmış tekli bindirmeli bağlantıların dayanımına etkileri araştırılmıştır. Her tasarım parametresi için, seçilmiş önceki yayınlar incelenmiş ve deneylerin sonuçları dâhil edilmiştir. Yük-yer değiştirme eğrileri ekstansometre ile ölçülmüş, hasarlı numuneler, en yüksek hasar yükü, her tasarım parametreleri için sıralanmıştır. Dâhil edilen tasarım parametreleri şu şekilde sıralanabilir, yüzey hazırlama işlemlerinin etkileri, bindirme uzunluğunun etkileri, yapışkan malzemesinin kalınlığının etkileri, yapıştırılan parçaların kalınlığının etkileri, bağlantı alanının uç geometrisinin etkileri araştırılmıştır. Deneylerin sonuçları göstermiştir ki, yapıştırılan parçaların yüzeyleri cüruf tabakası ile kaplı olduğundan, yüzey hazırlama etkisi en önemli özellik olarak bulunmuştur. Deneylerde ölçülen en yüksek yüklerin ortalamaları, yüzey hazırlama uygulaması yapılmadığı durumlarda, en yüksek yükün %41,8 kadar düştüğünü göstermektedir. Deneylerin sonuçları göstermiştir ki, bindirme uzunluğu etkisi, bağlantının yük kapasitesi için kritik öneme sahiptir. Bindirme uzunlukları 15 mm, 20 mm ve 25 mm olarak belirlenmiştir. Bindirme uzunluğunun 5 mm azaltılması durumunda en yüksek yükün %20,8 kadar düştüğü; bindirme uzunluğunun 5 mm arttırılması durumunda ise en yüksek yükün %16,3 kadar arttığı gözlemlenmiştir. Deneylerin sonuçları göstermiştir ki, pah kırılmış yapıştırılan parçaların etkisi ihmal edilebilirdir. Pah kırılmış yapıştırılan parçalar kullanıldığında, en yüksek yük değerinin %3'e yakın düşmüştür. Referans alınan bağlantının en yüksek yük değerleri arasındaki değişkenlik daha yüksek olduğundan, pah kırılmış yapıştırılan parçaların etkisi önemsiz bulunmuştur. Deneylerin sonuçları göstermektedir ki, yapışkan malzemesi kalınlığının etkisi önemlidir ve yapışkan kalınlığının 1 mm'den 0,5 mm'ye düşürülmesi durumunda, bağlantı dayanımı %11,4 kadar iyileştirilmiştir. Deneylerin sonuçları göstermiştir ki, yapıştırılan parçaların kalınlığının etkisi çok yüksektir. Yapıştırılan parçaların kalınlığının 3 mm'den 8 mm'ye çıkarılması, en yüksek yüklerin %24 artmasıyla sonuçlanmıştır. Deneylerin sonuçları göstermiştir ki, yapışkan malzemesinin uç şeklinin etkisi önemlidir. Taşırılmış uç şekilli yapışkanlı bağlantılarda en yüksek yük, dik köşeli bağlantılara göre %16 artmıştır. Deneylerin sonuçları göstermiştir ki, yapışkan malzemesinin uç şeklinin ve daha ince olmasının etkisi, en yüksek yük değerlerindeki artış açısından daha verimli olduğu bulunmuştur. Dik köşe yapıştırmalı bağlantılara göre, en yüksek yüklerde %25,9'luk artış olduğu görülmüştür. Sadece uç geometrisi taşırılmış şeklinde olan bağlantılara göre ise en yüksek yüklerdeki artış %8,5'tir. Yedinci bölümde, sonlu elemanlar analizleri sonuçları yer almaktadır. İki-boyutlu sonlu elemanlar modelinde kullanılan üssel Drucker-Prager akma kriteri detaylı şekilde incelenmiştir. Her model için aynı miktarda çekme yükü uygulanmıştır. Gerilme bileşenleri karşılaştırması yorumlanmış ve tasarım parametrelerin etkilerinin altında yatan sebepler belirlenmiştir. İki-boyutlu analiz sonuçlarına göre, bindirme uzunluğu, kayma gerilmesi ile ilgili etki göstermektedir. Bindirme uzunluğunun arttırılması, kayma gerilmelerini düşürmektedir. Ancak, kayma gerilmelerinin düzgün dağılımını da azalmıştır ve bu yüzden ortalama kayma gerilme değerleri düşmektedir. İki-boyutlu analiz sonuçlarına göre, pah kırılmış yapıştırılan parçalar, eşdeğer plastik gerinim değerlerini %3 kadar azalmıştır. Ancak, deney sonuçları ile kıyaslandığından, etkisi önemsiz bulunmuştur. Bağlantı dayanımına etkisinin, deney sonuçlarının değişkenliğinden daha düşük olduğu görülmüştür. İki-boyutlu analiz sonuçlarına göre, yapışkan malzemesi kalınlığının azaltılması, yüzeysel gerilmelerin düzgün dağılımını arttırılmasına yönelik etki etmektedir. Yüzeysel gerilmelerin daha düzgün olmasından dolayı, akma dayanımındaki düşüş daha azdır. Bu yüzden, bağlantının dayanımı artmıştır. İki-boyutlu analiz sonuçlarına göre, yapıştırılan parçaların kalınlığının artması, bağlantının dönme katılığına etki etmektedir. Daha yüksek kalınlıklar, yapıştırılan parçaların daha az dönmesine, hidrostatik gerilme bileşeninin düşmesine ve yapışkan malzemesinin, daha düşük kalınlıktaki yapıştırılan parçaları olan bağlantılara göre, kaymaya daha fazla zorlanmasına sebep olmaktadır. Yapıştırılan parçaların daha az dönmesi, tek bindirmeli bağlantıların dayanımını arttırmaktadır. İki-boyutlu analiz sonuçlarına göre, taşırılmış yapışkan uç şekli, en yüksek hidrostatik gerilme görülen alanın yerini değiştirmektedir. Kayma gerilmeleri daha düzenli hale gelmekte ve hidrostatik gerilme bileşenlerinin etkisi azalmaktadır. Bu yüzden, bağlantının dayanımı artmaktadır. İki-boyutlu analiz sonuçlarına göre, taşırılmış yapışkan uç geometrisine sahip olan bağlantılarda yapışkan kalınlığının düşürülmesi olumlu etki etmektedir. Yapışkan katılığı arttığı için, kayma gerilmesi dağılımını daha düzgünleşmektedir. Bu yüzden bağlantının dayanımı artmaktadır. Üç-boyutlu analizlerde, deneylerde ölçülen en yüksek yükler her bir model için uygulanmıştır. Yapışkan malzemesi, von Mises akma kriteri kullanan basitleştirilmiş malzeme modeli olarak modellenmiştir. Hesaplanan eşdeğer gerilme değerleri, aynı bağlantı geometrisine bağlantıların karşılaştırılması ve bağlantıların dayanım öngörüsü için kullanılmıştır. Görülmüştür ki, hasar bölgesi aynı bağlantı açısına ve hasar bölgesi çevresinde aynı ağ boyutuna sahipse, hesaplanan eşdeğer gerilme değerleri, %8'lik hata ile sınırlı olarak, en yüksek yük tahmininde kullanılabilir. En son bölümde, çalışmanın sonuçları açıklanmış, tasarım değişkenlerinin etkisinden bahsedilmiştir. Bu çalışmanın sonuçlarını kullanarak, bu çalışmayı takip eden gelecek çalışmalar için önerilerde bulunulmuştur ve tezin sonuçları üzerine kurulmuş potansiyel araştırmalar belirtilmiştir.

Özet (Çeviri)

Adhesives were used throughout the history for various reasons in many fields of engineering from weapon manufacturing to construction. Nowadays, the structural adhesives are mainly used for both metal and composite materials for joining due to their advantages. Every day that goes by, the potential of usage areas increases and becoming a more conventional joining technique is expected. The progresses in the engineering fields and competitive environment lead to the designs of products to be challenging and efficient. Adhesives represents unique opportunities that other conventional techniques lacks of. In the first section, purpose of thesis, motivation, hypothesis, and literature review take part. The advances of technology represent more efficient designs and adhesively bonded joints fulfill some of the expectations. To benefit from the adhesively bonded structures, the design parameters were thought to be investigated. The effects of design parameters on the strength of adhesively single lap joints was determined as the main subject of thesis. The adhesive material used in this study was determined as a bi-component toughened epoxy and the adherend material was chosen as hot-rolled steel. The expectations related to the impacts on the strength of joints were based on the previous studies. In literature, previous studies were reviewed and some of the published studies were mentioned in the experiments section, as well. In the second chapter of thesis, the historical background of adhesives was reviewed. The adhesion theories are used to explain the adhesion were mentioned. The examples of adhesive applications were reviewed for materials, such as metals and composites, for application areas, such as automobile and aircrafts. The examples of hybrid joints, which are improved designs with the aid of application of adhesives, were reviewed and the benefits were stated. In the third chapter, solutions and approaches for the design adhesively bonded single lap joints were reviewed. The main three analytical solutions were explained. The stress singularity definition and the studies related to the adhesively bonded single lap joints were included. The usage of numerical methods for single lap joints were mentioned, due to complexity of problem, different solutions were included. Since the continuum mechanics was found insufficient by some researchers, solutions based on fracture mechanics approaches were included. The state-of-art solution for numerical approach, which is named as cohesive zone modeling, were also explained, even if the method was not used in this study. In fourth chapter, the test preparation phase was explained. The preparation processes of both single lap joints and material specimens were described. From lubricant selections to preparation of bonding fixtures were explained in detail. The material tensile test results were given, as well. In the fifth chapter, the methodology used in thesis was described in detail. The reasons and critical issued related to the methods were explained. For the finite element analyses, the mesh model creation and the critical issues were explained. Two types of finite element analyses were done in this study. Two-dimensional finite element analyses using the exponent Drucker-Prager yielding criterion and three-dimensional finite element analyses using von Mises yielding criterion were explained. The mechanics and the deformation behavior was aimed to be determined by the results of two-dimensional analyses, and the strength prediction was aimed to be determined by the results of three-dimensional analyses. Due to complexity of the material deformation behavior, necessity of detailed complicated test, the issues related singularity, and requirement an advanced finite element solver software, a simplified material model was also constructed. The simplified material model was determined to be used in three-dimensional analyses, and the calculated strength was defined as a strength parameter. The procedure to be followed was stated with explanations of each step. In the sixth chapter, the effects of design parameters on the strength of adhesively bonded single lap joints was investigated. For each design parameter, selected previous studies was reviewed and the results of experiments were included. The load-displacement curves measured by extensometer, the damaged specimens, the peak failure loads were listed for each design parameter. The design parameters included in this study could be listed as, the effect of surface preparation, the effect of overlap length, the effect of adhesive thickness, the effect of adherend thickness, the effect of end geometry of bonded area were investigated. The results of experiments showed that, the effect of surface preparation was found as most significant feature, due to the mill scale on the adherends. The average peak loads measured in experiments showed that, in case of not application of surface treatment, the peak failure load drops by 41.8%. The results of experiments showed that, the effect of overlap length have a critical impact on the loading capacity of joints. The overlap lengths were determined as 15 mm, 20 mm, and 25 mm. the decrease in the peak load was 20.8% in case of reductions in the overlap length by 5 mm. the increase in the peak load was 16.3% in case of increment in the overlap length by 5mm. The results of experiments showed that, the effect of chamfered adherend was negligible. The peak failure loads decreased by 3% in case of the chamfered adherends was used. Since the variation of peak loads of reference joint was higher than 3% for adhesively bonded single lap joint, the effect was found insignificant. The results of experiments showed that, the effect of adhesive thickness was significant and decrease the thickness from 1mm to 0.5 mm, enhanced the strength of the joint by 11.4%. The results of experiments showed that, the effect of adherend thickness was found critical. The increase of the adherend thickness from 3 mm to 8 mm resulted to arise of the peak load by 24%. The results of experiments showed that, the effect of adhesive end shape was found significant. The joints with spew filleted adhesive end shape increased the peak load by 16%, compared to square ended joints. The results of the experiments showed that, the effect of adhesive end shape and thinner adhesive was found efficient in terms of increase in the peak failure load. The peak loads increased by 25.9%, compared to square ended joints. The peak loads increased by 8.5%, compared to joints with spew filleted adhesives. In the seventh chapter, the results of finite element analyses were represented. Two-dimensional finite element analyses using the exponent Drucker-Prager yielding criterion were reviewed in detail. The same amount of tensile load was applied in each model. The comparison of stress components were commented and the underlying reasons of the effect of design parameters were determined. According to the results of two-dimensional analyses, the overlap length have an impact related to the shear stresses. Increased overlap lengths reduce the shear stresses. However, the uniformity of the shear stresses also reduced, therefore the average shear stress values decreases. According to the results of two-dimensional analyses, the chamfered adherend decreases the equivalent plastic strain by 3%. However, the effect was found insignificant when compared with results of the experiments. The impact on the strength of joints was found lower than the variation of experiment results. According to the results of two-dimensional analyses, decreased adhesive thickness has an effect as increasing the uniformity of the interfacial stresses. Since the interfacial stresses are more uniform, the decrease in the yield strength of the material is lower. Thus, the strength of the joint increases. According to the results of two-dimensional analyses, increased adherend thickness has an effect on the rotational stiffness of the joint. Since the higher thickness caused lower rotation of the adherends, the hydrostatic stress component decreases and the adhesive forced to shear more than joints with thinner adherends. The decreased rotation of adherends increases the strength of the single lap joints. According to the results of two-dimensional analyses, the spew filleted adhesive end shape changes location of the area that has the highest hydrostatic component. The shear stress values becomes more uniform and the effect of hydrostatic stress components reduces. Thus, the strength of the joint increases. According to the results of two-dimensional analyses, the decreased adhesive thickness in the joints with spew filleted adhesive has a positive effect. Since the stiffness of the adhesive increases, the shear stress distribution becomes more uniform. Therefore the strength of the joint increases. In three-dimensional analyses, the peak failure loads measured in the experiments were applied at each model. The adhesive was modeled as simplified material model using von Mises yielding criterion. The calculated equivalent stress values were used to compare the results of joints with same bonding geometry and estimate the strength of the joints. It was seen that, if the failure zone have same bonding angles and the mesh sizes around the failure zone keep same, the calculated values could be used to estimate the peak loads within 8% error. In the final chapter, conclusions of the study were explained, the effects of design parameters were mentioned. The suggestions for future works as follow-up studies by using the results of this study were stated and potential researches based on results of thesis were indicated.

Benzer Tezler

Tez No
275296
Kalın woven kompozit laminelerde dil ve oluk birleştirme tekniği ile yapıştırma ve dayanımı etkileyen parametrelerin incelenmesi
Investigation of parameters which effect the bonding and strenght on adhesively bonded tongue and groove joint of thick composite sandwich
MİNE USLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Mühendislik Bilimleri Pamukkale Üniversitesi
Makine Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. O. ERSEL CANYURT
Tez No
899259
Metal ve polimer malzemelerin yapışma bağının sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi ve analiz edilmesi
Modeling and analyzing the adhesive bond of metal and polymer materials using the finite element method
FAİK FATİH KORKMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliği Bursa Uludağ Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR ÇAVDAR
Tez No
232283
Yapıştırıcıyla birleştirilmiş tabakalı kompozit T tipi bağlantıların titreşim kontrolü
Vibration control of adhesively bonded laminated composite tee joints
DEMET LİVKEBABCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Makine Mühendisliği Erciyes Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. Z. GÜL APALAK
Tez No
531461
Hibrit kompozitlerde farklı metal bağlantılarının yapıştırma özelliklerinin belirlenmesi
Determination of adhesive bonding properties of different metals in hybrid composites
HANDE OSMANOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL
Tez No
652840
Yapıştırıcı ile birleştirilmiş kompozit tek bindirme bağlantıların eğik darbe altında mekanik davranışlarının incelenmesi
Investigation of mechanical behaviour of adhesively bonded composite single-lap joints under oblique impact
MİTHAT GÖKHAN ATAHAN
Doktora
Türkçe
2020
Makine Mühendisliği Erciyes Üniversitesi
Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KEMAL APALAK

Geri Dön