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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

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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%

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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

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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

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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?

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Ing. Andrea Spaggiari - Ph.D Phone: + 39 0522 522098 Mobile: + 39 349 1453542 Email: andrea.spaggiari@unimore.it Fax: +39 0522 522609 Skype: bigspaggi0 Web: http://www.machinedesign.re.unimore.it/spaggiari.html

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