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1
RICERCA SU ADESIVI STRUTTURALI: METODI DI PROGETTAZIONE E APPLICAZIONI
Ing. Andrea Spaggiari
Dipartimento di Scienze e Metodi dell’Ingegneria
Università di Modena e Reggio Emilia
Associazione Meccanica – Bologna 08/02/2014 c/o SAMP
Reggio Emilia – Gruppo di Costruzione di Macchine:
Prof. Eugenio Dragoni
Andrea Spaggiari, PhD
Davide Castagnetti, PhD
Nicola Golinelli, PhD student
Giovanni Scirè Mammano, PhD
DIPARTIMENTO DI SCIENZE E METODI DELL’INGEGNERIA
2
Reggio Emilia – Gruppo di Costruzione di Macchine:
Prof. Eugenio Dragoni
Andrea Spaggiari, PhD
Davide Castagnetti, PhD
Ricercatori attivi su giunzioni incollate
DIPARTIMENTO DI SCIENZE E METODI DELL’INGEGNERIA
SCALETTA
Adesivi: PRO e CONTRO
Applicazioni Tipiche
Problematiche nella modellazione di strutture incollate
Modellazione efficiente agli elementi finiti
Giunzioni ibride
Adesivi anaerobici
3
PERCHE’ GLI ADESIVI
Molti PRO nell’uso di adesivi strutturali
- Unione di materiali dissimili
- Veloce e basso costo
- Proprietà sigillanti intrinseche
- Esteticamente gradevole perché invisibile
- Evita corrosione galvanica
- Buon isolamento termoacustico
- Buona distribuzione e trasferimento dei carichi
- No fori, no parti in più (dadi, rivetti, viti…)
Perché no Adesivi?
Esistono anche alcuni CONTRO
- Necessità di pulizia e preparazione superficiale
- Possibile necessità di curing
- Richiede competenze progettuali specifiche
- Non facile da disassemblare
- Limitazioni termiche (troppo caldo, troppo freddo)
- Problemi di viscoelasticità
- Proprietà influenzate da ambiente (umidità…)
4
ADESIVI: APPLICAZIONI TIPICHE
Aerospazio:
Airbus A380: oltre 20% della fusoliera in composito incollato
ADESIVI: APPLICAZIONI TIPICHE
Aerospazio:
Navale:
5
ADESIVI: APPLICAZIONI TIPICHE
Aerospazio:
Navale:
Ferrovie:
ADESIVI: APPLICAZIONI TIPICHE
Aerospazio:
Navale:
Ferrovie:
Automotive: telaio
6
ADESIVI: APPLICAZIONI TIPICHE
Aerospazio:
Navale:
Ferrovie:
Automotive: telaio
Auto: carrozzeria
ADESIVI: APPLICAZIONI TIPICHE
Aerospazio:
Navale:
Ferrovie:
Automotive: telaio
Auto: carrozzeria
Scatole ingranaggi
7
ADESIVI: APPLICAZIONI TIPICHE
Aerospazio:
Navale:
Ferrovie:
Automotive: telaio
Auto: carrozzeria
Scatole ingranaggi
Biomedicale
ADESIVI: PROBLEMATICHE TIPICHE
Strutture grandi
Giunzioni ridotte
Differenti scale
Difficoltà di modellazione
8
Veloce ma inaccurato
Accurato ma inefficiente
MOTIVAZIONE
Combinare i vantaggi di ambo i metodi
S12
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0
x (mm)
t (M
Pa
)
Method A
Method C
BACKGROUND
Sviluppo di metodi semplificati in campo elastico
S12
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0
x (mm)
t (M
Pa)
Full FE model
Reduced FE model
B A
A B
9
METODO
T-peel (ASTM-D 1876)
Δ
e
t
sa=0.1
b
e
Δ
b
t
Tied nodes
FEM Commerciale : ABAQUS
METODO
Preparazione giunto
Prova di trazione
Campagna sperimentale
Rottura coesiva
10
RISULTATI (Acciaio)
Fo
rce (
N)
Displacement (mm)
F-c Acciaio spessore 2mm braccio 20mm
0
300
600
900
1200
1500
0 1 2 3 4 5 6
Displacement (mm)
Fo
rce
(N
)
Ac_2_b_20 1 prova
Ac_2_b_20 2 Prova
Ac_2_b_20 3 Prova
Ac_2_b_20 4 Prova
Ac_2_b_20 5 Prova
ABAQUS SIMULAZIONE
F-c acciaio spessore 3mm braccio 12mm
0
300
600
900
1200
1500
0 1 2 3 4 5 6Displacement (mm)
Fo
rce
(N
)
Ac_3_b_12 1 prova
Ac_3_b_12 2 Prova
Ac_3_b_12 3 Prova
Ac_3_b_12 4 Prova
Ac_3_b_12 5 Prova
ABAQUS sim
Reduced model
spessore = 2mm spessore = 2mm
Experimental tests
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 1 2 3 4 5 6
Displacement (mm)
Fo
rce
(N
)
Andamento totale Forza-Corsa
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 1 2 3 4 5 6
Displacement (mm)
Fo
rce (
N)
RISULTATI (Alluminio)
t = 2mm, b = 80mm
Fo
rce (
N)
Displacement (mm)
Reduced model Experimental tests
t = 3mm, b = 80mm
11
Aluminium Steel
RISULTATI (Forza) P
ea
k F
orc
e (
N)
Max error 14%
Max error 41%
Experimental test
Reduced model
= 15 seconds
GIUNZIONE COMPLESSA
Validare il metodo di simulazione efficiente tramite
Test su giunzione complessa
12
PROVE SPERIMENTALI
# di lamierini
Lato tubo quadro 25 mm 40 mm
Spessore adesivo 1.5 mm
Fe510 Hysol 9466
SET-UP SPERIMENTALE
Preparazione superficiale aderendi
Montaggio e cura
13
SIMULAZIONE NUMERICA
RISULTATI
0
1
2
3
4
5
6
7
0 2 4 6 8
Fo
rza
(k
N)
Spostamento (mm)
3.1
3.2
3.3
3.4
Modello ridotto - 100Hz
Fo
rce (
kN
)
Displacement (mm) 0
1
2
3
4
5
6
7
0 2 4 6 8
Fo
rza
(k
N)
Spostamento (mm)
3.1
3.2
3.3
0
1
2
3
4
5
6
7
0 5Fo
rza
(kN
)
Spostamento (mm)
Sperimentale
Modello EF ridotto
Tests sperimentale
FEM
14
RISULTATI
0
2
4
6
8
10
12
0 5 10 15
Fo
rza
(k
N)
Spostamento (mm)
1.1
1.2
1.3
1.4
Modello ridotto - Filtro 500Hz
0
2
4
6
8
10
12
0 5 10 15
Fo
rza
(k
N)
Spostamento (mm)
3.1
3.2
3.3
3.4
Modello ridotto - 500Hz
0
2
4
6
8
10
12
0 5 10 15
Fo
rza
(k
N)
Spostamento (mm)
7.1
7.2
7.3
7.4
Modello ridotto -500
0
2
4
6
8
10
12
0 5 10 15
Fo
rza
(k
N)
Spostamento (mm)
7.1
7.2
7.3
7.4
Modello ridotto - 500
Fo
rce (
kN
)
Displacement (mm)
0
1
2
3
4
5
6
7
0 5Fo
rza
(kN
)
Spostamento (mm)
Sperimentale
Modello EF ridotto
Experimental tests
Tied mesh method
Tests sperimentale
FEM
Reduced FE Method
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 1 2 2 3
Displacement (mm)
Forc
e (
N)
Reduced FE Method
RISULTATI
Errore su
Forza di Picco
Max = -16.8%
Media= -6.4%
15
CONCLUSIONI
Campagna sperimentale su strutture incollate complesse
Sviluppo di metodi FEM efficienti
Buona stima della resistenza
Forte riduzione dei tempi di calcolo
GIUNTI IBRIDI
Incollaggio + Saldatura / Clinciatura / Rivettatura
Sommare i vantaggi eliminando gli svantaggi
Giunti Tradizionali
+ Tecnologie note
+ Manipolazione immediata
- Fretting
- Carichi concentrati
Giunti Incollati
+ Carichi Distribuiti
+ Materiali dissimili
- Poco ripetibili
- Pulizia parti
16
GIUNTI IBRIDI
Giunzione ibrida quindi è
Più rigida
Più resistente (staticamente e a fatica)
Distribuisce meglio il carico
Immediatamente manipolabile
MA Più costosa
Difficile da progettare
GIUNTI IBRIDI
Confronto giunzioni tradizionali vs ibride
Provino Single Lap
Solo rivettato
Rivettato e incollato
17
GIUNTI IBRIDI
Confronto giunzioni tradizionali vs ibride
GIUNTI IBRIDI
Confronto clinciatura incollaggio
Provino Single Lap soltanto clinciato
18
GIUNTI IBRIDI
Confronto clinciatura incollaggio
Provino Single Lap soltanto clinciato
GIUNTI IBRIDI
Confronto clinciatura incollaggio
Provino Single Lap clinciato e incollato
19
GIUNTI IBRIDI
Confronto clinciatura incollaggio
Provino Single Lap clinciato e incollato
GIUNTI IBRIDI
Confronto clinciatura incollaggio
Provino Single Lap
L’adesivo alza il picco di Forza massima
Raggiunto il limite elastico si innesca la cricca
L’adesivo perde la funzione strutturale
La clinciatura fornisce una “riserva plastica”
Il giunto non collassa catastroficamente
20
ADESIVI ANAEROBICI
Collegamenti metallici + assenza di osssigeno
Polimerizzazione
Metallo
Metallo
Adesivo
ADESIVI ANAEROBICI
Collegamenti tipici
Frenafiletti – Giunti flangiati - Calettamenti
21
Trovare T = T ( P )
per diversi adesivi
per contatto secco
per giunti ideali e reali
ADESIVI ANAEROBICI
Formano giunti per:
attrito & incollaggio
Giunto frontale
Bullone
Calettamento
Adesivo
Adesivo
Adesivo
GIUNTI ANAEROBICI
22
Nominal contact pressure (N/mm2 )
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300
Ulti
mate
shear
stre
ngth
(N
/mm
2 )
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Dry contact
Loctite 638
Loctite 243
Loctite 242
Loctite 222
Loctite 601
ANAEROBICI
Preload in bolt (kN)
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
Bre
aka
way
torq
ue (
Nm
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Loctite 638
Dry contact
Loctite 243
ANAEROBICI
23
Tightening torque (Nm)
0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0 22.5 25.0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Bre
aka
wa
y to
rque
(N
m)
Dry contact
Loctite 243
Loctite 638
ANAEROBICI
T = To + TY
To = tao ( A – AY ) tao A (Costante !)
TY = taY AY = taY P / Y (Proporzionale a P !)
tao , taY = Resistenze caratteristiche dell’adesivo
T
P
A AY ,taY
Y
P
T
To
TY tao
ANAEROBICI
24
EFFETTO PRECARICO - TEMPO
Precarico, P
Polimerizzazione: 6h, 45°C
Carico di prova,
F Rotazione,
F
RISULTATI
1 kN 25 kN
25
0
20
40
60
80
100
0 30 60 90 120 150
Ten
sio
ne
tan
gen
enzi
ale,
tR
(MP
a)
Pressione di contatto, p (MPa)
243-90-90
243-90-24000
243-24000-24000
243-24000-90
secco 24000
0
20
40
60
80
100
0 30 60 90 120 150
Ten
sio
ne
tan
gen
enzi
ale,
tR
(MP
a)
Pressione di contatto, p (MPa)
638-90-90
638-90-24000
638-24000-24000
638-24000-90
secco 24000
RISULTATI
Pressione di contatto, p (MPa)
Ten
sio
ne
tan
gen
zial
e, t
R (
MPa
)
Loctite 243 Loctite 638
0
20
40
60
80
100
0 25 50 75 100125150
Ten
sio
ne
tan
gen
enzi
ale,
t(M
Pa)
Pressione di contatto, p (MPa)
0.5 MPa - 0.5 MPa
0.5MPa - 134MPa
134 MPa - 134 MPa
134 MPa - 0.5 MPa
134 MPa no adesivo
Precarico pre-polimerizzazione Carico di esercizio
DOMANDE?
26
Ing. Andrea Spaggiari - Ph.D Phone: + 39 0522 522098 Mobile: + 39 349 1453542 Email: [email protected] Fax: +39 0522 522609 Skype: bigspaggi0 Web: http://www.machinedesign.re.unimore.it/spaggiari.html
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