Efeito da Espessura do Adsivo na Resitência de Juntas de Sobreposição Simples, na Ligação Materiais Compósitos

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos Alexandre Nuno Serra Nascimento NÚMERO DE ALUNO 200604207 Dissertação realizado no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Ramo de Produção, Desenvolvimento e Engenharia Automóvel Orientador: Prof. Dr. Lucas Filipe Martins da Silva Co-orientador: Prof. Dr. Raul Campilho Janeiro de 2013 Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos iii Resumo As uniões mecânicas dos materiais são uma tecnologia muito aplicada na indústria hoje em dia. Com a necessidade de unir materiais com comportamentos diferentes e reduzir o peso, as uniões através de adesivos têm vindo a ter uma grande importância. Sendo assim, o estudo de juntas adesivas torna-se muito relevante e importante para garantir a durabilidade e resistência dessas juntas. Esta dissertação foca-se no estudo de juntas adesivas de sobreposição simples (JSS) em que o substrato é um material compósito. Os adesivos selecionados para o estudo foram o SikaForce® O parâmetro avaliado nas juntas de sobreposição simples foi a força de rotura para diferentes espessuras de adesivo e comprimentos de sobreposição. Para conseguir proceder a essa análise foram criadas várias JSS, realizando-se simulações usando os Elementos Finitos com modelo de dano coesivo e análise matemática. 7888 (poliuretano) e XNR6852 (epóxido). A utilização de vários métodos permite concluir que um aumento da espessura do adesivo provoca uma diminuição da força de rotura da junta. Já para a variação do comprimento de sobreposição, um aumento da sobreposição leva a um aumento da força de rotura. A análise dos resultados obtidos pela utilização dos vários métodos permitiu concluir que uma análise matemática simples consegue fazer boas previsões para a força de rotura. Por outro lado, a análise por Elementos Finitos, embora realizada com algumas limitações, permitiu obter tendências idênticas às experimentais. Palavras-Chave: Juntas adesivas, Compósitos, Ensaios destrutivos, Método de Elementos Finitos, Modelo de dano coesivo Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos v Abstract Mechanical unions of materials are a technology with various applications in the industry today. With the need of joining materials with different behaviors and reduce weight, adhesive bonding has gained a great importance. Thus, the study of adhesive joints becomes very relevant and important to ensure the durability and strength of such joints. This paper focuses on the study of single lap adhesive joints in which the adherends are a composite material. The selected adhesives for the study were the SikaForce® The evaluated parameter in the single lap joints (JSS) is the failure load, for different thicknesses and overlap lengths. To be able to carry out this analysis, numerical models of the joints were created and analyzed using finite elements with cohesive damage models, whose results were compared against a simple theoretical model. 7888 (polyurethane) and XNR6852 (epoxy). The use of the various methods showed that an increase in the thickness of the adhesive causes a decrease of the tensile strength of the joint, and that increasing the overlap length causes an increase of tensile strength. The results obtained by the use of various methods allowed to conclude that a simple mathematical analysis can make good predictions for the tensile strength. The Finite Element analysis, although being performed with some limitations, gave identical tendencies to the experiments Key-Words: Adhesive joints, Composites, Destructive testing, Finite Element Method, Cohesive Damage Models Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos vii Agradecimentos Em primeiro lugar agradeço à minha família (mãe, pai e irmão) todo o seu carinho e apoio, pois sem eles não seria possível fazer está tese. Ao Prof. Dr. Lucas Silva pelo seu apoio e ajuda ao longo da tese. Ao Prof. Dr. Raul Campilho que mostrou sempre disponível e me ajudou em diversas ocasiões. Um agradecimento ao Eng. Eduardo por me ter ajudado durante os ensaios. Um agradecimento ao grupo de adesivos por me ter recebido no grupo como um colega e amigo. Agradecimento a todos aqueles que me ajudaram na realização desta tese. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos ix Índice Resumo ............................................................................................ iii Abstract ............................................................................................. v Agradecimentos .................................................................................. vii Índice ............................................................................................... ix Lista de figuras .................................................................................. xiii Lista de tabelas ................................................................................ xvii Abreviaturas e Símbolos ....................................................................... xix Capítulo 1 .......................................................................................... 1 Introdução ......................................................................................................... 1 1.1 - Formato da tese ........................................................................................... 2 1.2 - Propósito da dissertação ................................................................................. 2 1.3 - Procedimento utilizado .................................................................................. 3 Capítulo 2 .......................................................................................... 5 Estado da Arte .................................................................................................... 5 2.1 – Adesivos ..................................................................................................... 5 2.1.1 - Introdução ............................................................................................ 5 2.1.2 - Início da história de adesivos ..................................................................... 5 2.1.3 – História dos adesivos modernos ................................................................... 6 2.1.4 – Vantagens e desvantagens das juntas adesivas ................................................ 6 2.1.5 – Aplicações industriais dos adesivos .............................................................. 7 2.1.6 -Tipos de juntas ....................................................................................... 7 2.1.7 -Modos de rotura ...................................................................................... 8 2.1.8 – Espessura do adesivo ............................................................................... 9 2.2 – Compósitos ............................................................................................... 12 2.2.1 – História dos compósitos .......................................................................... 12 2.2.2 – Conceito de compósito ........................................................................... 12 2.2.3 - Classificação dos compósitos .................................................................... 13 2.2.3.1 – Reforços dos compósitos ....................................................................... 13 2.2.3.2 - Matrizes dos compósitos ....................................................................... 14 2.2.4 Compósitos de fibras longas ....................................................................... 15 2.2.5 - Plástico reforçado com fibras de carbono (CFRP) ........................................... 15 Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos x 2.3 - Elementos Finitos ....................................................................................... 17 2.3.1 – Conceitos básicos .................................................................................. 17 2.3.2 - Vantagens do Método de Elementos Finitos .................................................. 17 2.4 - Mecânica do dano ....................................................................................... 18 2.4.1 – Modelos de dano coesivo (MDC)................................................................. 18 Capítulo 3 ......................................................................................... 21 Trabalho experimental ........................................................................................ 21 3.1 - Propriedades dos componentes ................................................................... 22 3.1.1 -Adesivos SikaForce®22 7888 e XNR6852 ........................................................... 3.1.2 - Propriedade dos substratos em material compósito ........................................ 23 3.1.3 – Orientação das fibras ............................................................................. 24 3.2 - Fabrico de placas de compósito com pré-impregnado ........................................ 25 3.2.1 – Procedimento ...................................................................................... 25 3.2.1 Procedimento de Cura .............................................................................. 27 3.2.2 - Corte dos provetes ................................................................................ 29 3.2.3. - Fabricação das JSS com SikaForce®30 7888 e XNR6852 ...................................... 3.2.3.1. - Tratamento superficial ....................................................................... 30 3.2.3.2 Procedimento de colagem ...................................................................... 30 3.2.3.3. - Cura dos adesivos .............................................................................. 32 3.2.3.4. - Remoção do excesso adesivo dos provetes ................................................ 32 3.2.3.5.- Ensaios de tração das JSS de SikaForce®33 7888 e XNR6852 ............................... Capítulo 4 ......................................................................................... 37 Simulação numérica ........................................................................................... 37 4.1 – Procedimento da simulação em ABAQUS®37 ....................................................... 4.1.1 – Condições da simulação numérica ............................................................. 37 4.1.2 – Modelo de dano triangular ....................................................................... 41 Capítulo 5 ......................................................................................... 43 Resultados ....................................................................................................... 43 5.1 - Ensaios de tração das JSS com adesivo o SikaForce®43 7888 ....................................... 5.1.1 – Ensaio de tração das JSS com uma sobreposição de 20 mm ............................... 43 5.1.2 – Ensaio de tração de JSS com uma sobreposição de 60 mm ................................ 45 5.2 – Ensaio de tração das JSS com o adesivo XNR6852 ................................................. 48 5.3 – Resultados da simulação numérica em ABAQUS®50 .................................................. 5.3.1 – Simulação das JSS com o adesivo SikaForce®50 7888 .......................................... 5.3.1.1 – JSS com 20 mm de sobreposição ............................................................. 50 5.3.1.2 – JSS com 60 mm de sobreposição ............................................................. 53 5.3.2 – Simulação das JSS com o adesivo XNR6852 ................................................... 54 5.4 – Resultados analíticos ................................................................................... 56 5.4.1 - Cedência generalizada ........................................................................... 56 5.4.1.1 – Adesivo XNR6852 ................................................................................ 56 5.4.1.2 – Adesivo SikaForce®57 7888 ....................................................................... Capítulo 6 ......................................................................................... 59 Conclusões e trabalhos futuros .............................................................................. 59 Referências ....................................................................................... 61 Anexo A .......................................................................................................... 65 Anexo B .......................................................................................................... 66 Anexo C .......................................................................................................... 67 Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos xi Anexo D .......................................................................................................... 68 Anexo E .......................................................................................................... 70 Anexo F .......................................................................................................... 72 Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos xiii Lista de figuras Figura 2.1Tipos de juntas adesivas (da Silva et al. 2007). ........................................... 8 Figura 2.2 – Modos de rotura de JSS em substratos de compósito (Banea et al. 2009). .......... 8 Figura 2.3 – Distribuição das tensões de corte no adesivo para JSS com diferentes valores de ta (da Silva et al. 2007). ......................................................................... 10 Figura 2.4 – Dimensões das JSS (Kahraman et al. 2008). ............................................. 10 Figura 2.5 – Dimensão dos provetes de JSS (Naito et al. 2012). ..................................... 11 Figura 2.6 - Variação cronológica da importância dos materiais (Ashby 2006). .................. 12 Figura 2.7 – Tipos de partículas nos compósitos (Staab 1999). ...................................... 13 Figura 2.8 – Esquemas de compósitos de fibras (Staab 1999). ....................................... 13 Figura 2.9 - Uma imagem de microscópio eletrónico de varrimento da superfície de um pré-impregnado de fibra de carbono-epóxido (Chung 2010). ................................. 16 Figura 2.10Bombardeiro B-2. ............................................................................ 17 Figura 2.11 - Elementos coesivos para simular o crescimento do dano em ligações adesivas por uma abordagem local (Campilho et al. 2012). .............................................. 19 Figura 2.12 – Abordagem contínua numa junta adesiva (Pardoen et al. 2005). .................. 20 Figura 3.1 – Geometria e dimensões caraterísticas dos provetes. .................................. 21 Figura 3.2 – JSS com sobreposição 20 mm. .............................................................. 22 Figura 3.3 – JSS com sobreposição 60 mm. .............................................................. 22 Figura 3.4 – Orientação das fibras nas camadas de pré-impregnado (da Silva et al. 2012). ... 24 Figura 3.5 – Rotura devido tensão de arrancamento dos substratos (da Silva et al. 2006). .... 25 Figura 3.6- (a) Rolo de compósito de CFRP e (b) procedimento de corte das placas ............ 26 Figura 3.7 – (a) Placas finais cortadas e (b) Interior da prensa pratos quentes. ................. 26 Figura 3.8 – (a) Peso usada para remover as bolhas de ar e (b) Pistola de ar quente. .......... 27 Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos xiv Figura 3.9 – Procedimento de colar a fita-cola. ........................................................ 27 Figura 3.10 – Ciclo térmico para a cura das placas de compósito. ................................. 28 Figura 3.11 – Prensa de pratos quentes. ................................................................. 28 Figura 3.12 – (a) Aplicação de desmoldante nas barras. e (b) Folhas de Teflon® 28 e as barras de espessura posicionadas na prensa. ............................................................. Figura 3.13Máquina de corte de compósitos. ......................................................... 29 Figura 3.14 – Acabamento superficial nos provetes (Neto et al. 2012). ........................... 30 Figura 3.15 – Adesivo SikaForce®31 7888 e pistola pneumática. ....................................... Figura 3.16 – Modo de aplicação do adesivo. ........................................................... 31 Figura 3.17 – Procedimento de montagem das JSS. ................................................... 31 Figura 3.18 – Molde com as JSS do adesivo XNR6852. ................................................. 32 Figura 3.19 – Ferramenta pneumática com mó. ........................................................ 33 Figura 3.20 – Mesa de trabalho. ........................................................................... 33 Figura 3.21 – Máquina de ensaios INSTRON. ............................................................. 34 Figura 3.22 – Máquina de ensaios SHIMADZU. ........................................................... 34 Figura 4.1 – Desenho 2D dos provetes em ABAQUS®38. .................................................. Figura 4.2 – Diferentes partições na simulação dos provetes em ABAQUS®38. ...................... Figura 4.3 – Definição dos incrementos em ABAQUS. .................................................. 40 Figura 4.4 – Representação das condições fronteira na simulação ABAQUS®40...................... Figura 4.5 – Malha dos provetes em ABAQUS®41 para a JSS de lo=20 mm e ta=0,5 mm. .......... Figura 4.6Lei de tração-separação triangular disponível no ABAQUS®42 (Abaqus 2009). ........ Figura 5.1 – Força de rotura média e desvio padrão em função de ta para lo=20 mm. ......... 43 Figura 5.2 - a) Rotura da camada superficial do CFRP na JSS de ta=3 mm e (b) rotura coesiva na JSS de ta=3 mm. ......................................................................... 44 Figura 5.3 – Roturas coesivas de para ta=0,2, 0,5 e 1 mm. .......................................... 44 Figura 5.4 – Comparação da capacidade de carga das JSS para lo=20 mm. ....................... 45 Figura 5.5 – Força de rotura média e desvio padrão em função de ta para lo=20 e 60 mm. ... 46 Figura 5.6 – (a) Rotura da JSS de ta=3mm e (b) rotura coesiva na JSS de ta=1mm .............. 46 Figura 5.7 - Rotura coesiva nas JSS para vários ta em lo=60 ......................................... 47 Figura 5.8 - Comparação da capacidade de carga das JSS para lo=60 mm nos ensaios de tração. .................................................................................................. 48 Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 5 Capítulo 2 Estado da Arte Nesta secção faz-se um resumo da história, metodologia e aplicações dos diferentes componentes que estão envolvidos nesta tese. Os principais tópicos a destacar são a tecnologia dos adesivos, compósitos e EF. 2.1 – Adesivos 2.1.1 - Introdução A história dos adesivos e vedantes está intimamente relacionada com a história da humanidade. Alguns adesivos têm as suas origens nos tempos antigos, e embora a maioria desses materiais tenha sido objeto de grandes mudanças, outros têm sido muito pouco alterados ao longo do tempo. À medida que novos materiais são desenvolvidos, uma revisão histórica dos usos pode mostrar onde se pode melhorar as aplicações já existentes e, por vezes, satisfazer novos requisitos (Pizzi et al. 2003). 2.1.2 - Início da história de adesivos São referidos alguns exemplos de aplicações dos adesivos na antiguidade: • As primeiras ferramentas e armas eram pedras amarradas num pau por fibras, pedaços de pele de animais ou matérias com propriedades adesivas. • Os primeiros adesivos utilizados pelos seres humanos são agora chamados de cera de abelhas, colofónia, borracha, goma-laca, alcatrão, enxofre e gomas vegetais. • Os primeiros seres humanos isolavam cascas e folhas com adesivos e matérias impermeáveis para atravessar estreitos de água. • Resina no tempo antigo servia para reparar vasos de cerâmica. • Cimentos betuminosos e colas caseiras foram usados no tempo dos antigos egípicios (Pizzi et al. 2003). Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 6 2.1.3 – História dos adesivos modernos A história da indústria moderna de adesivos está intimamente ligada ao desenvolvimento das indústrias de aeronaves e aeroespacial. Desde os primeiros voos até ao mais moderno equipamento aeroespacial, o peso tem sido uma das considerações mais importantes. A ligação adesiva foi o método ideal de ligação nos antigos aviões a madeira e tecido, e hoje em dia é o método mais importante de união para o alumínio, titânio e outros metais em naves militares avançadas e espaciais, e também em alguns aviões comerciais atuais (Pizzi et al. 2003). 2.1.4 – Vantagens e desvantagens das juntas adesivas As ligações adesivas apresentam vantagens e desvantagens intrínsecas ao processo de ligação. Em termos de vantagens, destacam-se as seguintes: • As ligações adesivas oferecem a possibilidade de unir materiais diferentes; e.g. metais, plásticos, compósitos, madeira entre outros, pois o adesivo impede contacto íntimo, o que de outro modo poderia conduzir a corrosão galvânica. • Os adesivos têm a capacidade de unir chapas finas de forma eficiente. É principalmente relevante para produção de veículos ou estruturas leves. • Uma junta bem projetada terá capacidade de absorver energia, isto é, tende a ter boas propriedades de amortecer e absorver vibrações e sons. • O adesivo pode ter uma dupla finalidade uma vez que, além de proporcionar a resistência mecânica, também pode vedar a junta contra a entrada de humidade e detritos. • Comparado com uniões por rebites ou parafusos, as uniões adesivas distribuem a carga de uma maneira uniforme minimizando assim as concentrações de tensões. Como resultado, são minimizados problemas de fadiga. • A união adesiva é muitas vezes uma técnica conveniente e de baixo custo. A automação do processo com o uso de robôs minimiza a necessidade de qualquer interação humana e, com o aumento do desenvolvimento dos sistemas de fabrico flexíveis, a ligação adesiva pode ser uma parte integrante da linha de montagem (Karač 2008). As desvantagens mais importantes das ligações adesivas estão relacionadas com os seguintes aspetos: • O pré-tratamento dos substratos é muito importante para a qualidade da união e tem um grande efeito sobre a resistência da junção, em particular sob condições ambientais severas. • A ligação adesiva tem uma gama de temperaturas de serviço limitado em comparação com outros tipos de ligações mecânicas. • A força e a tenacidade dos adesivos são geralmente baixas em comparação com os metais, e, por conseguinte, limitam a sua aplicação. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 7 • As juntas adesivas são inerentemente fracas a forças de arrancamento, por isso requerem um cuidado na conceção. • Há uma falta de informação e conhecimento sobre o comportamento das juntas adesivas em condições de impacto. • As ligações adesivas não permitem desmontagem. • As propriedades dos adesivos são bastantes variáveis o que torna a escolha difícil para uma determinada aplicação (Karač 2008). 2.1.5 – Aplicações industriais dos adesivos Os adesivos são usados para várias aplicações na indústria automóvel na atualidade, variando desde vedações flexíveis no chassi do carro até adesivos estruturais de alto desempenho. Vários tipos de adesivos com propriedades específicas estão disponíveis para as mais diversas aplicações. Os requisitos para ligações adesivas têm vindo a aumentar devido ao aumento da vida útil dos automóveis. No processamento os adesivos, aspetos industriais relacionados com a saúde e proteção ambiental tornaram-se também mais importantes. Portanto, é mais difícil, mas no entanto necessário determinar os requisitos para os adesivos a ser utilizados no futuro. Além disso, a procura de padrões de qualidade tem vindo a aumentar na indústria (Chung 2010). A indústria naval utiliza cada vez mais plásticos e compósitos devido ao seu baixo peso, à sua resistência à corrosão e à sua facilidade de processamento. Uma vez que a melhor forma de ligar compósitos é através de adesivos, essa indústria também é um bom exemplo de aplicação. De facto, os compósitos e os adesivos são duas tecnologias muito associadas. Neste caso, deve-se ter em conta a resistência dos adesivos ao meio marinho, que é particularmente severo (da Silva et al. 2007). 2.1.6 -Tipos de juntas As juntas adesivas podem ter muitas configurações. As mais comuns são a JSS, a junta se sobreposição dupla (JSD), as juntas com chanfro (scarf joints) e as juntas em degraus (Figura 2.1). Devido à sua facilidade de fabricação e utilização generalizada, a JSS tem sido a mais estudada na literatura em termos experimentais e teóricos. Mas isto não quer dizer que seja fácil analisar as tensões presentes nesta junta. De facto, o carregamento não é colinear, o que introduz flexão dos substratos. Por isso, o adesivo fica sujeito não apenas a corte, mas também a arrancamento na extremidade da junta. A JSD, a junta com chanfro e as juntas em degrau são projetadas especificamente para diminuir o arrancamento (da Silva et al. 2007). Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 8 Figura 2.1Tipos de juntas adesivas (da Silva et al. 2007). 2.1.7 -Modos de rotura A finalidade de uma ligação adesiva é a transmissão de carga entre os dois componentes ligados, mantendo a sua integridade estrutural sob solicitações estáticas e ou dinâmicas e condições ambientais adversas (humidade e temperatura). Torna-se assim fundamental a correta avaliação da distribuição do perfil de tensões e, consequentemente, dos modos de rotura induzidos nas juntas coladas. De um modo geral, podem-se distinguir três modos de rotura diferentes em juntas coladas: rotura coesiva no interior do adesivo, rotura adesiva na interface entre os substratos e o adesivo e rotura de um dos substratos. A rotura coesiva ocorre quando, quer os substratos quer a ligação entre o adesivo e o substrato são mais fortes do que a resistência interna do próprio adesivo. Por vezes a rotura ocorre por uma combinação dos referidos modos, designando-se nesse caso por rotura mista (da Silva et al. 2007). Figura 2.2 – Modos de rotura de JSS em substratos de compósito (Banea et al. 2009). Em juntas adesivas de compósito, de acordo com a norma ASTM D5573, há sete modos típicos de rotura, descritos na Figura 2.2. Os parâmetros típicos que influenciam as roturas Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 9 das juntas adesivas em compósitos são: a contaminação da superfície, o filete do adesivo, a espessura do adesivo, a orientação das camadas, a sequência de empilhamento e as condições ambientais. No entanto, ainda é difícil prever o modo de rotura das juntas coladas compósitas devido à multiplicidade de modos de rotura e aos diferentes valores de resistência de cada tipo de rotura (Banea et al. 2009). 2.1.8 – Espessura do adesivo A espessura do adesivo é uma das características geométricas a considerar no projeto de uma junta. Deve-se assim garantir uma espessura ótima para o adesivo (entre 0,1 e 0,5 mm), necessária à obtenção do melhor desempenho da junta. Na grande maioria das aplicações de juntas coladas, os fabricantes recomendam uma espessura de 0,1 a 0,2 mm para a obtenção da resistência máxima (Gleich et al. 2001). Os motivos pelos quais existe um decréscimo de resistência para valores inferiores a 0,1 mm de espessura não são bem conhecidos. Crê-se, no entanto, que espessuras muito finas aumentam o risco de falhas de colagem com a consequente geração de defeitos (Mahdi et al. 2003). Por outro lado, verificase experimentalmente que a resistência de uma junta diminui com o aumento da espessura do adesivo a partir de 0,1 – 0,2 mm. Os modelos analíticos (Goland e Reissner 1944, Volkersen 1938) ou numéricos, baseados unicamente numa análise elástica, preveem a diminuição das tensões arrancamento e de corte com o aumento de ta. Consequentemente, estes modelos preveem o aumento da resistência da junta, o que contradiz a realidade. Crocombe (1989), recorrendo ao critério de cedência generalizada, mostrou que em JSS a cedência completa do adesivo ocorre prematuramente numa junta com maior valor de ta relativamente a uma de menor espessura (Figura 2.3). O autor concluiu, então, que uma análise não linear material é fundamental para compreender a influência da espessura do adesivo. Todavia, é sabido que os adesivos frágeis atingem a rotura antes da plastificação completa ocorrer. Recentemente, da Silva et al. (2006) recorrendo a uma simulação numérica com elementos finitos incluindo propagação de dano, distinguiram dois tipos de plastificação que podem surgir nas JSS com um adesivo dúctil: (1) a plastificação localizada nas zonas de singularidade e que não se reflete na curva força-deslocamento (P-δ) e (2) a plastificação globalizada que ocorre numa fase muito posterior do ensaio e que origina a alteração de declive da referida curva. A plastificação localizada surge para valores de deslocamento aplicados inferiores nas juntas de menor espessura, ocorrendo o contrário para a deformação plástica generalizada. Esta última constatação explica a razão da diminuição de resistência das juntas com o aumento de ta. Adams e Peppiatt (1974) propuseram três justificações possíveis para explicar a diminuição da resistência com o aumento de ta: maiores concentrações de tensões, maior probabilidade da presença de defeitos internos (porosidades, vazios e microfissuras devido às tensões residuais induzidas pelo processo de cura) e de maiores dimensões, e taxa de deformação inferior. Os autores concluíram que a presença dos defeitos internos é o fator preponderante na Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 10 explicação do fenómeno. Gleich et al. (2001) propõe uma explicação baseada nas tensões interfaciais. O autor demonstrou que as tensões normais e de corte nas interfaces e junto às extremidades da zona de sobreposição aumentam com o aumento de ta, ao contrário do que sucede com as mesmas componentes de tensão no plano médio do adesivo. As juntas com menor valor de ta apresentam uma distribuição mais uniforme para ambas as componentes de tensão, ao passo que as de maior valor de ta evidenciam um aumento pronunciado junto das interfaces. Estes autores concluíram assim que a maior probabilidade de presença de defeitos internos nas juntas com maior valor de ta adesivo não pode ser considerada como explicação exclusiva para o fenómeno, embora possa contribuir para ele. Figura 2.3 – Distribuição das tensões de corte no adesivo para JSS com diferentes valores de ta (da Silva et al. 2007). O trabalho de Kahraman et al. (2008) avalia a influência de ta em JSS com substratos de alumínio. As dimensões dos provetes utilizados encontram-se na Figura 2.4. Figura 2.4 – Dimensões das JSS (Kahraman et al. 2008). O adesivo utilizado nesta investigação foi um adesivo epóxido de dois componentes. Foram ensaiados vários provetes com valores de ta desde 0,1 até 1,4 mm e registou-se a resistência da junta. Os valores obtidos para a força de rotura nos ensaios de tração foram de ≈20 MPa para ta=0,1 mm e de ≈12,5 MPa para ta=1,4 mm. Com estes resultados os autores Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 11 concluíram que tanto nos ensaios como nas simulações, as juntas com valor de ta maior apresentam uma menor resistência. O trabalho de Nassar et al. (2012) permite avaliar a influência da ta e lo em juntas com substratos de compósito, e um adesivo epóxido usando um modelo de simulação do dano. Os substratos usados foram de vidro-epóxido, onde a orientação das fibras foi [0/90;±45], e com espessura de substrato (tp) de 12.5 mm. Os valores de ta variaram entre 0,58 e 1,27 mm com um lo de 63,5 mm. É mostrado que o efeito da espessura é insignificante sobre a distribuição de tensões de corte a meio do comprimento de sobreposição, mas influencia o comportamento das referidas tensões na extremidade da sobreposição. Em relação aos diferentes comprimentos de sobreposição (entre 30 e 70 mm), observa-se uma significativa diferença nas distribuições de tensões de corte, na medida em que valores de lo maiores levam a um aumento dos gradientes de tensão de corte da zona interior da sobreposição para as extremidades. As mesmas conclusões foram obtidas por Naito et al. (2012), que estudaram a variação das tensões de corte e arrancamento com a variação de ta. O substrato usado é uma liga de alumino com as dimensões da Figura 2.5. O adesivo é um poliamida, que foi usado nas JSS com valores de ta de 0,1, 0,3, 0,5 e 1 mm. As JSS foram ensaiadas à tração com uma velocidade de ensaio de 1 mm/min à temperatura ambiente. Os resultados obtidos permitiram obter as seguintes conclusões: para ta grandes (1 mm) a capacidade de carga da junta é menor do que para ta pequenos, isto é quanto maior for ta menor é resistência da junta. A análise de resistência das juntas para diferentes valores de ta mostra valores poucos influenciados por ta (conforme referido por Nassar et al. 2012). Figura 2.5 – Dimensão dos provetes de JSS (Naito et al. 2012). Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 12 2.2 – Compósitos 2.2.1 – História dos compósitos Os materiais compósitos já existem há muitos séculos. O primeiro registro do aparecimento de materiais compósitos remonta á antiga civilização egípcia, com a introdução do contraplacado e a utilização de um composto de palha com lama para o reforço de tijolos. A partir dos anos 60, os compósitos de alto desempenho foram introduzidos em grande escala na indústria aeronáutica. O desenvolvimento dos conhecimentos e aplicabilidade dos materiais compósitos é, em grande parte, graças aos inúmeros projetos militares nas áreas da aeronáutica e do programa espacial da década 80 (Staab 1999). Figura 2.6 - Variação cronológica da importância dos materiais (Ashby 2006). 2.2.2 – Conceito de compósito Os materiais compósitos são materiais multifásicos obtidos através da combinação artificial de diferentes materiais, a fim de obter propriedades que os componentes individuais, por si só, não podem alcançar. Não são materiais multifásicos em que as diferentes fases são formadas naturalmente por reações, transformações de fase, ou outros fenómenos. Na prática, a maioria das composições consistem de um material, chamado matriz e um outro material chamado de reforço, adicionado principalmente para aumentar a resistência mecânica e a rigidez da matriz, mas também, por vezes, para modificar a sua condutividade térmica ou resistividade elétrica (Cardarelli 2008). Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 13 2.2.3 - Classificação dos compósitos Os compósitos podem ser classificados de acordo com o material da matriz, que pode ser um polímero, um metal, um carbono, uma cerâmica ou um cimento. Podem também ser classificados de acordo com o tipo, forma e topologia do material de reforço (Chung 2010). 2.2.3.1 – Reforços dos compósitos Um compósito que tenha partículas como o material de reforço é dito ser um compósito de partículas (Chung 2010). Figura 2.7 – Tipos de partículas nos compósitos (Staab 1999). Os componentes de um compósito também podem tomar a forma de camadas, massa ou películas. Outro tipo de reforços são as fibras, estas podem ser contínuas (longas) ou descontínuas (uísqueres/curtas). As fibras longas produzem uma resposta do material que é anisotrópica, mas em muitos casos os reforços de fibras curtas aleatórios produzem compósitos quase isotrópicos. Os compósitos de fibras longas podem ser tanto de camada única como de múltiplas camadas (Staab 1999). Figura 2.8 – Esquemas de compósitos de fibras (Staab 1999). Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 14 2.2.3.2 - Matrizes dos compósitos Compósitos de matriz polímera (CMP) são os compósitos mais comuns e são também conhecidos como polímeros reforçados com fibras (PRF) ou anteriormente como compósitos à base de resina (CBR). Estes materiais compósitos usam uma resina à base de polímero como matriz, e fibras como o reforço. Compósitos de matriz cerâmica (CMC) são materiais compósitos utilizados em ambientes agressivos, em altas temperaturas ou quando é necessário resistência à corrosão. A composição deste tipo de compósito consiste numa matriz cerâmica e num reforço de fibras curtas, feitos a partir de carboneto de silício (SiC) e nitreto de boro (BN). Duas importantes sub-classes são os compósitos de matriz vidro-cerâmica (MCV) e compósitos de carbonocarbono (CCC). Os compósitos de matriz metálica (CCM) são muitas vezes considerados como materiais avançados porque apresentam excelentes propriedades mecânicas como uma alta rigidez, uma relação resistência-densidade elevada, resistência a corrosão, e em alguns casos especiais propriedades elétricas e térmicas bastantes favoráveis (Chung 2010). Tabela 2-1 - Classificação dos compósitos (Chung 2010). Classe Tipo de Matriz Tipo de Reforço Compósitos de matriz polimérica (CMP) (polímeros reforçados com fibras, base composta por resinas) Termoplásticos (e.g., PPS, PES) De enchimento (e.g., pós metal ou cerâmica, partículas, esferas) Fibras (e.g., os monofilamentos de carbono /uísqueres) Laminados (e.g., folhas de vidro, folhas de alumínio) Termoendurecíveis (e.g., epoxidos, PI, PA) De enchimento (e.g., pó de metal, ou de cerâmica, partículas, grânulos) Fibras (e.g., fibras de vidro, os monofilamentos de carbono /uísqueres) Laminados (e.g., folhas de vidro, papel alumínio, favo de mel) Elastómeros (e.g., borracha) De enchimento (e.g., pó de grafite, partículas, grânulos) Fibras (e.g., os monofilamentos de carbono / uísqueres) Laminados (e.g., folhas de vidro) Compósito de matriz metálica (CMM) Metais (e.g., Al, Mg, Ti, Cu) Partículas, flocos (e.g., cerâmica, metal duro, carbono tipo diamante) Fibras (e.g.,SiC ou B4C ou monofilamentos, uísqueres) Outras (e.g., metal expandido, malha, favo de mel) Ligas Partículas, flocos (e.g., cerâmica, metal duro, carbono tipo diamante) Fibras (e.g.,SiC ou B4C ou monofilamentos, uísqueres) Outras (e.g., metal expandido, malha, favo de mel) Compósito de matriz cerâmica (CMC) Cerâmica Partículas ou flocos Monofilamentos carbono e uísqueres Fibras de metal, fios de corte, e uísqueres Outras (e.g., metal expandido, malha, favo de mel) Vidro ou Vidro-Cerâmica Partículas Carbono-Carbono Monofilamentos, uísqueres, tecido em favo de mel Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 21 Capítulo 3 Trabalho experimental O trabalho experimental consistiu inicialmente na produção de placas compósitas de CFRP. De seguida fabricaram-se as JSS com o adesivo SikaForce® 7888 e o XNR6852 para realização de ensaios de tração. Para o estudo do comportamento da variação de ta com o adesivo SikaForce® Os provetes fabricados com o adesivo Sikaforce 7888 escolheu-se os valores de ta de 0,2, 0,5, 1 e 3 mm e de lo=20 e 60 mm. A escolha destes valores permite abranger a maioria das JSS usadas na indústria. Com escolha de dois lo permite uma posterior comparação do comportamentoda variação de ta. ® 7888 têm as mesmas dimensões dos apresentados no trabalho de Neto et al. (2012) de forma a poder comparar resultados e conclusões, e também aprofundar o respetivo trabalho (Figura 3.1). As principais dimensões das juntas são: LT=240 mm, b=15 mm (largura) e tp=2,4 mm. Figura 3.1 – Geometria e dimensões caraterísticas dos provetes. Os provetes foram fabricados a partir de pré-impregnado unidirecional (SEAL Texipreg® Para garantir LT=240 mm em todos os ensaios, o comprimento dos substratos foi diferente para as duas sobreposições em estudo (20 e 60 mm), conforme se observa nas Figuras 3.2 e 3.3. HS 160 RM) com 0,15 mm de espessura por camada. São necessárias 16 camadas para obter a espessura final dos provetes de tp=2,4 mm. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 22 Figura 3.2 – JSS com sobreposição 20 mm. Figura 3.3 – JSS com sobreposição 60 mm. Os provetes colados com o adesivo XNR6852 foram fabricados com dimensões distintas, devido ao processo de cura a elevada temperatura, que obrigou à compatibilização das dimensões dos provetes com o molde de cura. Sendo assim, as seguintes dimensões foram diferentes das apresentadas anteriormente: LT=180mm e b=25mm. Para este adesivo, estudou-se a influência de diferentes valores de lo: 10, 20, 30, 40, 50, 60 mm. Os valores de lo escolhidos abrangem a maioria das dimensões de JSS usadas na indústria. Foi utilizado o valor de ta de 0,2 mm, que corresponde ao melhor desempenho expectável da juntas adesivas. 3.1 - Propriedades dos componentes É importante caracterizar os componentes que constituem as JSS para permitir a sua simulação por EF, com utilização de MDC para a modelação da propagação do dano. 3.1.1 -Adesivos SikaForce® 7888 e XNR6852 Os adesivos utlizados nos ensaios e simulações numéricas foram testados em trabalhos anteriores relativamente às propriedades mecânicas mais relevantes (Neto et al. 2012, Saldanha et al. 2012). O adesivo SikaForce® 7888 é um adesivo estrutural de base poliuretano fornecido pelo fabricante SIKA, composto por dois componentes, e com Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 23 aplicações na indústria automóvel. O processo de cura ocorre à temperatura ambiente durante 24 horas. As suas principais propriedades estão descritas na Tabela 3.1. Tabela 3-1 - Propriedade do adesivo SikaForce® 7888 (Neto et al. 2012, Sika 2012). Propriedades SikaForce® 7888 Módulo de Young, E [GPa] 1,89±0,81 Tensão de cedência,σ y [MPa] 13,20±4,83 Tensão de rotura, σ f [MPa] 28,60±2,0 Deformação à rotura,ε f [%] 43,0±0,6 Módulo de corte,G [GPa] 0,727 Energia critica modo I, GIC [N/mm] Energia critica modo II, G IIC [N/mm] 0,723±0,075 8,72±1,22 O outro adesivo utilizado é o XNR6852 da Nagase Chemtex. É um adesivo que combina as propriedades de um adesivo epóxido e um poliuretano, na medida em que combina alongamento e tenacidades elevadas com alta resistência mecânica. É um adesivo estrutural com aplicações na indústria automóvel. É fornecido na forma de uma pasta para ser aplicação direta nos componentes a ligar e cura subsequente a altas temperaturas (150ºC durante 3 horas) As propriedades estão descritas na Tabela 3.2. Tabela 3-2 - Propriedade do adesivo XNR6852 (Saldanha et al. 2012). Propriedades XNR6852 Módulo de Young, E [GPa] 1,1763±39,90 Tensão de cedência,σ y [MPa] 39,25±1.63 Tensão de rotura, σ f [MPa] 59,88±0,84 Deformação à rotura,ε f [%] 100,7±25,52 Módulo de corte,G [GPa] 0,998 Energia critica modo I, GIC [N/mm] Energia critica modo II, G IIC [N/mm] 2,4±0,5 12,5±1,1 3.1.2 - Propriedade dos substratos em material compósito As propriedades elásticas das camadas unidirecionais de Texipreg® 160 RM são definidas no trabalho de Campilho et al. (2008). Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 24 Tabela 3-3 – Propriedades elásticas das camadas unidirecionais de CFRP (Campilho et al. 2008). Propriedades Texipreg® 160 RM E X [MPa] 1,09×105 E y [MPa] 8819 E Z [MPa] 8819 ν XY 0,342 ν XZ 0,342 ν YZ 0,380 σ xy [MPa] 4315 σ xz [MPa] 4315 σ yz [MPa] 3200 3.1.3 – Orientação das fibras A orientação usada das fibras do compósito durante o emparelhamento das 16 camadas é de 0º. Isto é, as fibras encontram-se paralelas entre si e alinhadas com a direção longitudinal do provete. Assim, obtém-se as melhores propriedades das placas compósitas segundo a direção da solicitação. Desta forma, durante os ensaios as fibras então a ser tracionadas juntamente com as juntas adesivas. Figura 3.4 – Orientação das fibras nas camadas de pré-impregnado (da Silva et al. 2012). De uma maneira geral, no caso dos laminados compósitos é aconselhável que estes tenham camadas superficiais com as fibras orientadas paralelamente à direção da solicitação para se evitar uma rotura interlaminar destas camadas. De qualquer modo, as tensões de arrancamento podem provocar a rotura interlaminar dos substratos de compósito por via de delaminagens localizadas na proximidade das singularidades (da Silva et al. 2007). O trabalho de da Silva et al. (2006) aborda a influência das tensões de arrancamento em juntas adesivas com substratos em compósito e híbridas. Os autores começam por referir que os CFRP são normalmente usados pela indústria aeronáutica com uma orientação das Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 25 fibras de 0º, e que esse posicionamento leva a que o material seja muito anisotrópico no que diz respeito as suas propriedades. As propriedades na direção das fibras no compósito são muito elevadas, enquanto as propriedades transversais e de corte são muito inferiores. Os autores referem que o principal problema do CFRP é a baixa resistência interlaminar, que apresenta propriedades mecânicas muito baixas, podendo provocar a rotura do compósito em vez do adesivo. Figura 3.5 – Rotura devido tensão de arrancamento dos substratos (da Silva et al. 2006). Os referidos autores estudaram JSD com geometrias diferentes do substrato incluindo a utilização de filete de adesivo. Os resultados obtidos mostraram uma distribuição de tensões mais uniformes e uma redução das concentrações de tensões. 3.2 - Fabrico de placas de compósito com pré-impregnado 3.2.1 – Procedimento Para o fabrico das placas com uma sequência de empilhamento de [0]16, seguiu-se os seguintes passos: 1) Retirar rolo de compósito de carbono-époxido da arca congeladora e deixar estabilizar à temperatura ambiente por alguns minutos. 2) Dispor o rolo numa superfície limpa e desenrolar. Medir e cortar com o x-ato em placas (no presente caso 600x300 mm) (Figura 3.6). Tensões atuando no substrato exterior Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 26 3) De seguida cortar as placas a meio de forma a obter quadrados com 300x300 mm (Figura 3.7). 4) Limpar os pratos da prensa de pratos quentes com ajuda de uma lixa e depois remover gordura e impurezas com acetona e papel. 5) Remover com cuidado a película de Teflon®, evitar colar os dedos ou danificar a resina. Para facilitar a operação pôr as placas no frigorífico durante uns segundos. 6) Proceder a um aquecimento com a pistola de ar quente. A temperatura da pistola é de cerca 50ºC e deve-se fazer passagens durante 30 s. 7) Empilhar cada camada de compósito de forma sequencial (neste caso a orientação de todas as camadas é 0º). Direcionar bem as placas antes de colar porque é impossível de descolar. Figura 3.6- (a) Rolo de compósito de CFRP e (b) procedimento de corte das placas Figura 3.7 – (a) Placas finais cortadas e (b) Interior da prensa pratos quentes. a a b b Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 27 8) Remover as bolhas de ar com um peso. Na parte com papel de proteção esmagar do meio para as pontas com a espátula de forma a remover o ar (Figura 3.8). 9) Com uma pinça remover o papel de proteção. Importante remover segundo as direções das fibras do compósito de forma a evitar danificar ou criar bolhas de ar. 10) Se após remoção a folha de proteção existir bolhas de ar voltar a passar com o peso. 11) Repetir os procedimentos 5,6,7,8,9 e10 para todas as camadas de compósito até terminar a sequência de empilhamento. 12) No fim da sequência de empilhamento, cola-se a fita-cola nas duas extremidades paralelas à direção das fibras (Figura 3.9). 13) Se não for realizada a cura, isolar a placa com uma pelicula de Teflon® e fita-cola de forma a garantir a estanquicidade e guardar na arca frigorífica. Figura 3.9 – Procedimento de colar a fita-cola. 3.2.1 Procedimento de Cura As placas são submetidas a um ciclo térmico na prensa de pratos quentes, com ajuste de pressão e temperatura (Figura 3.10). Os parâmetros utilizados são os recomendados pelo fabricante para garantir boas propriedades das placas de compósito. Figura 3.8 – (a) Peso usada para remover as bolhas de ar e (b) Pistola de ar quente. a b Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 28 Figura 3.10 – Ciclo térmico para a cura das placas de compósito. 1) Ligar a prensa e aquecer os pratos a uma temperatura de 45ºC, para melhorar a aderência do Teflon® (Figura 3.11). Figura 3.11 – Prensa de pratos quentes. 2) Limpar as barras com acetona e uma lixa. Aquecer as barras na prensa para melhorar a adesão do desmoldante (Figura 3.12 a). Nota: As barras servem como controlo da espessura para as placas CFRP. Evita-se assim que a prensa esmague o CFRP antes de este curar. Figura 3.12 – (a) Aplicação de desmoldante nas barras. e (b) Folhas de Teflon ® e as barras de espessura posicionadas na prensa. a b Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 29 3) Aplicar o desmoldante com um pincel e embrulhar as barras com uma folha de Teflon®. 4) Isolar os pratos da prensa com folhas de Teflon®, garantir que as folhas de Teflon® estão bem esticadas e sem vincos. 5) Colocar a placa de compósito e as barras paralelas às fibras do compósito. 6) Aquecer a prensa aos 130ºC recomendados e manter durante 1 hora. 7) Quando passar 1 hora mudar a temperatura dos pratos para 20ºC e aguardar até a temperatura chegar aos 50ºC para remover a placa. 8) Durante o arrefecimento, quando a temperatura atingir os 95ºC abrir água durante alguns segundos de 2 em 2 min para melhorar o arrefecimento. 9) Por fim desligar a prensa, remover a placa e limpar a prensa. 3.2.2 - Corte dos provetes Depois de serem produzidas as placas CFRP com a dimensão de 300x300 mm realizouse o corte dos provetes. Esta operação consistiu na utilização de uma máquina de corte de materiais compósitos com um disco de corte revestido a diamante refrigerado por água com mesa deslizante (Figura 3.13). Para garantir as dimensões precisas dos provetes para as JSS começa-se por proceder dois cortes de 90º nas laterais da placa com a ajuda de batentes para posicionar a placa. Com as superfícies da placa lisa e os batentes posicionados com a largura dos provetes procede-se ao respetivo corte. Por fim cortou-se os calços que são depois colados nas extremidades das juntas para o alinhamento na máquina de ensaios tração. Figura 3.13Máquina de corte de compósitos. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 30 3.2.3. - Fabricação das JSS com SikaForce® 7888 e XNR6852 Refere-se inicialmente que se tentou fabricar JSS com ta=3 mm para o adesivo XNR6852. Mas como o adesivo apresenta baixa viscosidade estas foram impossíveis de fazer. 3.2.3.1. - Tratamento superficial O tratamento superficial é aplicado a todos os provetes antecedendo o procedimento de aplicação do adesivo. A superfície onde vai aderir o adesivo é muito importante para garantir uma boa junta. Nas juntas em compósitos a superfície apresenta uma baixa rugosidade, o que leva a uma baixa energia de adesão, e também alguns restos de óleos e pó de carbono resultante do corte, o que torna este procedimento muito importante. O aumento da energia de superfície resultante dos tratamentos térmicos permite igualmente uma melhor molhagem do adesivo e a formação de um filme contínuo. Primeiro agrupa-se os provetes que apresentam dimensões aproximadas (o corte provoca pequenas variações na largura dos provetes de≈0,5mm) e em seguida usando uma folha de lixa grossa procede-se à remoção da camada superficial do compósito e de fibras soltas nas laterais. Deve-se evitar usar muita força para não danificar as fibras do CFRP. Depois usando acetona e papel limpou-se muito bem a superfície até não existir nenhum vestígio de sujidade e poeras. A Figura 3.14 mostra o resultado final do tratamento superficial do CFRP. Figura 3.14 – Acabamento superficial nos provetes (Neto et al. 2012). 3.2.3.2 Procedimento de colagem Este procedimento do adesivo SikaForce® 7888 deve ser realizado por duas pessoas. O adesivo é fornecido num tubo de dois componentes que são misturados num tubo de mistura estático. Com uma “pistola” pneumática, mostrada na Figura 3.15, aplica-se o adesivo nos provetes. Primeiro segura-se os provetes com ajuda de amarras numa superfície plana isolada com Teflon®. De seguida um operador segura e procede à aplicação do adesivo com a “pistola” enquanto o outro operador guia e alinha as juntas. É importante controlar o alinhamento e dimensão da sobreposição a fim de garantir a veracidade dos resultados obtidos. Para cada JSS colou-se calços nas extremidades. A função destes calços é manter a JSS alinhada durante os ensaios de tração. Por fim, com uma mola aplica-se pressão força junto da zona colada para garantir uma boa adesão e verifica-se o alinhamento e a dimensão da sobreposição no final de cada procedimento de colagem. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 38 A descrição seguinte refere passo a passo as operações realizadas para a criação das juntas na interface do ABAQUS®. Na interface gráfica existem vários passos que devem ser completados de forma sequencial, conforme se refere. 1º Part Inicia-se por desenhar a junta adesiva, como mostra a Figura 4.1. Desenhou-se só um corpo para modelar os substratos e adesivo, em vez de os modelar separadamente, o permite reduzir a complexidade do sistema sem afetar a validade dos resultados obtidos. Para cada caso de ta e lo em estudo foram recriados os provetes com a suas dimensões caraterísticas na simulação numérica. Figura 4.1 – Desenho 2D dos provetes em ABAQUS®. Depois de desenhar o conjunto substratos-adesivo é necessário dividir em partições de forma a atribuir diferentes propriedades e comportamentos às secções. As partições criadas devem isolar diferentes zonas da junta, como a camada de adesivo com ta de 0,2 mm e as zonas de rotura interlaminar do compósito, dispostas ao longo de todo o comprimento dos substratos e posicionadas a 0,05 mm da interface com o adesivo para simulação da rotura interlaminar. Este procedimento é baseado nos trabalhos de Campilho et al. 2008 e Neto et al 2012, e consistiu na medição pós-rotura da espessura Figura 4.2 – Diferentes partições na simulação dos provetes em ABAQUS ® . Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 39 removida do substrato nas roturas interlaminares observadas. O objetivo é para que as simulações numérica reproduzam o mais fielmente possível os resultados experimentais. 2ºProperty Nesta secção atribui-se as propriedades mecânicas a cada segmento criado anteriormente. As secções criadas são o compósito, adesivo e o interlaminar. As propriedades dos adesivos foram obtidas por ensaios Double-Cantilever Beam (DCB), End Notched Flexure (ENF) e de provetes sólidos ensaiados à tração realizados em projetos anteriores (Neto et al. 2012, Saldanha et al 2012). As propriedades interlaminares do CFRP foram obtidas no trabalho de Campilho et al. (2008) (Tabela 4.1). As propriedades dos adesivos estão descritas na Tabela 4.2. Tabela 4-1 – Propriedades interlaminares do compósito para a modelação MDC (Campilho et al. 2008). Propriedades K1 [N/mm3] 106 K2 [N/mm3] 106 [MPa] 25,0 [MPa] 13,5 [N/mm] 0,33 [N/mm] 0,79 Tabela 4-2 – Propriedades dos adesivos para a modelação MDC (Neto et al. 2012, Saldanha et al. 2012). Propriedades SikaForce 7888 XNR6852 E [MPa] 1890 1176,25 G [GPa] 0,727 0.4524 [MPa] 28,6 39 [MPa] 20 19 [N/mm] 0,7023 2,4 [N/mm] 10 12,5 3ºAssembly Não se aplica sendo só uma parte sólida. 4ºStep Nesta secção introduz-se os parâmetros de computação da simulação. Os incrementos e tamanhos estão descritos na Figura 4.3. Aplicou-se um número máximo de incrementos elevados para evitar a paragem da análise por exceder o nº permitido de incrementos. O Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 40 tamanho dos incrementos é reduzido para evitar uma variação repentina da rigidez da junta, o que podia bloquear a simulação. Figura 4.3 – Definição dos incrementos em ABAQUS. 5ºInteraction Não se aplica neste caso porque é uma peça única. 6ºLoad Para simular carregamento de tração é necessário introduzir condições fronteira na peça. A Figura 4.4 permite visualizar as condições fronteira utilizadas nas simulações em ABAQUS®. Numa das extremidades do substrato simula-se um encastramento enquanto no outro lado aplica-se um deslocamento horizontal de 1 mm e restringe-se o movimento verticalmente. Figura 4.4 – Representação das condições fronteira na simulação ABAQUS®. 7ºMesh Nesta secção divide-se as juntas em elementos finitos. As zonas onde ocorrem os maiores gradientes de tensão devem ser o mais refinadas possível. Como mostra a Figura 4.5, as zonas mais perto das extremidade da sobreposição estão mais refinadas do que o centro da junta. As secções simuladas por elementos coesivos (zona interlaminares e adesivo) apenas apresentam um elemento segundo a vertical. À medida que se aumentou o valor de lo aumentou-se o número de elementos na junta colada de forma a manter idêntico o tamanho dos elementos nas zona críticas. Por exemplo, para uma sobreposição lo=20 mm existem Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 41 cerca de 35 elementos do meio para extremidade da sobreposição e no caso lo=60 mm 90 elementos. 8ºJob Nesta área dá-se início à simulação, coloca-se o nome e a capacidade computacional que se quer dedicar à simulação no menu das opções. 9º Results Depois de terminar a simulação é necessário proceder à análise dos resultados para produzir as curvas P-δ. No “output” de valores soma-se todas as reações do encastramento e retira-se os valores do deslocamento para criar as curvas P-δ. 4.1.2 – Modelo de dano triangular A lei de dano triangular, descrita em detalhe nesta secção, é a mais vulgarmente usada devido à sua simplicidade e reduzido número de parâmetros a ser determinado, e geralmente produz resultados aceitáveis para a maioria das condições reais (Liljedahl et al. 2006). Contudo, genericamente falando, a forma das leis coesivas pode ser ajustada para conformidade com o comportamento do material, ou da interface que ser simulado para mais resultados mais precisos (Campilho et al. 2009). Figura 4.5 – Malha dos provetes em ABAQUS ® para a JSS de lo=20 mm e ta=0,5 mm. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 42 Figura 4.6Lei de tração-separação triangular disponível no ABAQUS® (Abaqus 2009). A lei triangular, ver a Figura 4.6, assume inicialmente um comportamento linear elástico, seguido de degradação linear. A elasticidade é definida por um matriz constitutiva (K), que contém os parâmetros de rigidez, para relacionar as tensões e deformações em tração e corte ao longo dos elementos coesivos (subscritos n e s, respetivamente). n nn ns n s ns ss s .. t KK t KK ε ε      = = =          tKε (1) Para camadas finas de adesivo, uma aproximação viável é dada por Knn = E, Kss = G e Kns = 0. A iniciação do dano pode ser especificada por diferentes critérios. E é considerado o critério quadrático de tensões que se segue para a iniciação do dano, por já ter sido provada a sua fiabilidade (Campilho et al. 2012), e dado por: 22 ns 00 ns 1. tt tt   +=      (2) são os parêntesis de Macaulay, que indicam que um estado de tensão puramente compressivo não contribui para a iniciação do dano. Depois de atingida a resistência máxima em modo misto (tm0 na Figura 4.6), através da equação acima, a rigidez do material é degradada. A separação completa é prevista por um critério linear energético da forma s ncc ns 1. G G GG += (3) Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 43 Capítulo 5 Resultados Neste capítulo são apresentados os resultados dos ensaios de tração, simulações em ABAQUS® e análise analítica. 5.1 - Ensaios de tração das JSS com adesivo o SikaForce® 7888 5.1.1 – Ensaio de tração das JSS com uma sobreposição de 20 mm As curvas P-δ dos ensaios de tração estão em Anexo C. Para poder interpretar os resultados obtidos dos ensaios de tração, é apresentada a Figura 5.1 com os valores médios da carga de rotura e desvio padrão em função de ta. Figura 5.1 – Força de rotura média e desvio padrão em função de ta para lo=20 mm. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 44 Figura 5.3 – Roturas coesivas de para ta=0,2, 0,5 e 1 mm. Começa-se por referir que a maioria dos provetes ensaiados apresentou um tipo de rotura coesiva, isto é, a rotura ocorre no interior do adesivo. A Figura 5.3 mostra isso mesmo, onde para três JSS com ta diferentes se verifica visualmente rotura coesiva. Isto permite verificar a influência do valor de ta na resistência da camada de adesivo, como se pretende. O valor obtido para ta=0,2 mm é idêntico ao obtido no trabalho de Neto et al. (2012) para condições geométricas e materiais idênticas (≈8,5 kN). A Figura 5.2 a) mostra uma JSS com ta=3 mm onde verifica-se uma rotura nas fibras do CFRP. Para valores superiores de ta (ta=1 mm e ta=3 mm) algumas JSS no fim do ensaio não apresentam uma separação completa da junta. A Figura 5.2 (b) mostra uma JSS de 3mm depois do ensaio, onde os substratos ainda se encontram unidos pela camada de adesivo. Através da análise visual da junta fraturada, observa-se claramente uma fenda coesiva no adesivo. Os dados da Figura 5.1 mostram que o valor da carga máxima para JSS com espessuras de adesivos menores é sempre superior do que as JSS com espessuras maiores e que há uma progressiva com o aumento de ta. Os valores experimentais obtidos de carga máxima no ensaio de tração para cada grupo de espessuras apresentam também uma Figura 5.2 - a) Rotura da camada superficial do CFRP na JSS de ta=3 mm e (b) rotura coesiva na JSS de ta=3 mm. b a Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 45 repetibilidade bastante razoável, como se pode verificar pela análise do desvio padrão. A Figura 5.4 é uma comparação para os valores médios obtidos por valor de ta da capacidade máxima das JSS. Considerando como o melhor desempenho possível o valor de 8,4 kN para ta=0,2 mm, comparou-se com os valores obtidos para outras espessuras. Só fazendo variar o valor de ta=0,2 mm para ta =3 mm faz com que a capacidade da junta suportar carga fique reduzida em ≈ 50% . Um valor muito elevado se tivermos em conta que as condições são todas iguais e o único fator a variar é ta. Esta diferença da capacidade de carga das juntas pode ser explicada por vários fatores. Em primeiro lugar a utilização de uma espessura elevada de adesivo potencia a aparição de defeitos como poros de ar, microfissuras ou até degradação do adesivo. Também se sabe que as propriedades coesivas de camadas finas de adesivo (tensões coesivas e tenacidades) variam bastante com o valor de ta da junta adesiva (Carlberger and Stigh 2010), embora este aspeto não tenha sido detalhado neste trabalho. Outro fator a ter em conta é a tensão de corte mais elevada nas extremidades das juntas adesivas com maiores valore de ta, levando a uma plastificação prematura. Figura 5.4 – Comparação da capacidade de carga das JSS para lo=20 mm. 5.1.2 – Ensaio de tração de JSS com uma sobreposição de 60 mm Tal como para a sobreposição de lo=20 mm a informação obtida dos ensaios de lo=60 mm é descrita na Figura 5.5. e na forma de tabela no Anexo B e curvas de P-δ no Anexo D. São sobrepostos os resultados lo=20 mm para permitir comparação. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 46 Figura 5.5 – Força de rotura média e desvio padrão em função de ta para lo=20 e 60 mm. A Figura 5.5 mostra que os valores obtidos nos ensaios de tração para as JSS com lo=60mm são todos superiores aos obtidos para as JSS de lo=20mm. Esta diferença deve-se á maior área de junta adesiva que permite suportar mais carga. Esta conclusão está de acordo com o trabalho do Neto et al. (2012),onde o autor demonstra a capacidade de carga das JSS para diferentes lo. O valor referido do trabalho de Neto et al. (2012) para lo=60 mm e ta=0,2 mm é de 23 kN, um pouco superior aos 19,9 kN do presente trabalho. Como as cargas são maiores para lo=60 mm, existem mais juntas que sofreram roturas nas fibras dos CFRP em vez do adesivo, mas a tendência dos ensaios foi de ocorrer rotura coesiva como se verifica na tabela no Anexo B. A Figura 5.6 b) mostra uma rotura na camada superficial do provete em compósito que ocorre em algumas juntas. a Figura 5.6 – (a) Rotura da JSS de ta=3mm e (b) rotura coesiva na JSS de ta=1mm b Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 47 Figura 5.7 - Rotura coesiva nas JSS para vários ta em lo=60 A Figura 5.7 mostra JSS com roturas coesivas para diferentes espessuras de adesivo. Com a obtenção de roturas coesivas é possível analisar a influência da espessura de adesivo na sua resistência. Tal como nas juntas com lo=20 mm, para ta=3 mm observa-se o fenómeno de separação incompleta (Figura 5.6 a). Os resultados obtidos para as JSS com cada valor de ta estão bastante próximos. Ao analisar o desvio padrão pode-se comprovar esse facto, já que os valores calculados do desvio padrão são relativamente baixos. Verificando os valores obtidos para carga máxima média que cada espessura de adesivo consegue suportar observa-se o mesmo padrão que se encontrou para sobreposição mais pequena, na medida em que as JSS com valores de ta reduzidos suportam uma carga superior, que diminui gradualmente com o aumento de ta. A Figura 5.8 faz uma comparação entre o valor da carga máxima média para ta=0,2 mm (19,99 kN) com os valores obtidos para os outros ta para lo=60. Verifica-se que apenas pela alteração da espessura do adesivo, se observa uma redução da capacidade da junta de suportar carga de mais de 50% para ta=3 mm. Esta redução é um pouco superior à encontrada para a mesma espessura de adesivo em lo=20 mm. A influência da espessura de adesivo na capacidade de carga das juntas é também mais acentuada no caso de sobreposição maior (lo=60 mm) do que para lo=20 mm. Este fenómeno pode-se dever á maior quantidade de adesivo lo=60 mm e ta=3 mm com microfissuras ou porosidades superiores às encontradas nas juntas lo=20 mm. Já em relação aos fatores que levam a esta perda de carga máxima são os mesmos que para a sobreposição mais pequena (conforme referido na secção 5.1.1). Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 54 possibilidade da modelação por elementos coesivos contínuos pode não ser a mais apropriada para ta elevados. Figura 5.19 – Rotura interlaminar da simulação de JSS com lo=60 mm e ta=1 mm. Os valores obtidos da força rotura das juntas são menores para grandes espessuras, como os resultados dos ensaios e nas simulações para lo=20 mm. A JSS com ta=3 mm de adesivo suporta apenas 30% da carga de uma junta com ta=0,2 mm (Figura 5.20). Fazendo um comparativo com a simulação numérica de lo=20 e os valores dos ensaios de tração, neste caso apresenta-se uma queda mais acentuada da resistência das juntas com ta. Uma possível explicação é a existência de maior quantidade de adesivo nas juntas, o que facilita o aparecimento de possíveis microfissuras, poros e imperfeições internas. Figura 5.20 - Comparação da capacidade de carga das JSS para simulação numérica com lo=60 mm. 5.3.2 – Simulação das JSS com o adesivo XNR6852 Para este adesivo considerou-se uma espessura de adesivo de ta=0,2 mm para todas as JSS. Esta espessura foi selecionada por estar na gama de espessuras que permite um melhor desempenho da junta. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 55 Figura 5.21 - Força de rotura para valores de ta de 0,2 mm obtida para simulação ABAQUS®. Os valores obtidos para a força de rotura das juntas estão abaixo dos valores conseguidos nos ensaios (Figura 5.21). Mesmo assim, é possível verificar que para sobreposições maiores consegue-se uma força de rotura superior. Na simulação numérica observa-se que só alterando o valor de lo consegue-se um ganho de ≈42% entre lo=10 e 60 mm. O comparativo entre os ensaios e as simulações em ABAQUS® mostra uma variação máxima de ≈50% entre os valores de carga máxima nos ensaio e as simulações. Figura 5.22 – Rotura coesiva no adesivo para a junta lo=40 mm. As roturas nas simulações para lo=10, 20, 30, 40, 50 e 60 mm foram coesivas no adesivo, como mostra a Figura 5.22 para caso de lo=40 mm. As JSS ensaiadas apresentam em alguns casos rotura no compósito como os provetes para lo=30 mm. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 56 5.4 – Resultados analíticos 5.4.1 - Cedência generalizada Este critério foi inicialmente proposto por Crocombe (1989). Assume-se, para adesivos dúcteis, que a cedência completa da camada de adesivo possa ocorrer, atingindo-se assim um estado limite que não possibilita o aumento da carga aplicada, até que as condições locais sejam suficientes para induzir a rotura. O referido autor aplicou o critério a diferentes configurações de juntas caracterizadas pela presença de cargas de corte e obteve bons resultados usando adesivos muito dúcteis. Todavia, a maioria dos adesivos epóxidos estruturais não apresenta uma ductilidade suficiente para que a cedência completa da camada de adesivo ocorra antes da rotura. Assim sendo, o critério só é aplicável para uma gama restrita de adesivos. O autor refere ainda que o critério é inadequado para juntas sujeitas a cargas de clivagem. Como os adesivos em estudo são dúcteis este método permite obter valores aceitáveis para a força de rotura (Pm). Pm=τf×b×lo (3) 5.4.1.1 – Adesivo XNR6852 De forma a fazer uma avaliação global de todos os métodos que permitem determinar a carga máxima para uma junta adesiva, os resultados obtidos foram agrupados numa única figura (Figura 5.23). Figura 5.23 – Força de rotura dos vários critérios para o adesivo XNR6852 em função de lo. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 57 Os valores obtidos pelo critério de cedência generalizada para o caso do adesivo XNR6852 (Figura 5.23) estão muito próximos dos valores dos ensaios das JSS para pequenas sobreposições. Para lo=10 mm, o critério apresenta um valor de 9,75 kN comparado com o valor dos ensaios de 10,48 kN. Já quando a sobreposição do adesivo é de lo=40 mm, o valor de rotura obtido com o critério de cedência generalizada é de 39 kN, comparado com o obtido do ensaio de 32,32 kN. Um dos fatores que pode estra na origem desta diferença é a consideração apenas das tensões de corte no adesivo, embora as tensões de arrancamento também tenham um papel preponderante no processo de rotura. A simulação em ABAQUS® apresenta valores para força de rotura mais baixos que os ensaios de tração, tal como nas simulações com o adesivo SikaForce® 7888. A variação entre os ensaios e o critério cedência generalizado varia entre 7% (para lo=10 mm) e 41% (para lo=30 mm). Mostra-se assim que este método analítico é uma boa aproximação (embora por excesso) da força de rotura das JSS que se obteve nos ensaios de tração. 5.4.1.2 – Adesivo SikaForce® 7888 O critério de cedência generalizada é uma boa aproximação para determinar as forças de rotura para as juntas como do adesivo SikaForce® 7888. O critério não inclui a variação da espessura do adesivo, e sendo assim os resultados obtidos são os seguintes: lo=20 lo=60 Unidades Resultados Unidades Resultados b [mm] 15 b [mm] 15 lo [mm] 20 lo [mm] 60 τf [MPa] Pm [kN] 20 6 τf [MPa] Pm [kN] 20 18 Tabela 5-1 – Resultados do método de cedência generalizados para as JSS com SikaForce® 7888. Em comparação com os resultados dos ensaios experimentais, o valor de 6 kN é semelhante a uma espessura de adesivo de 1 mm. No caso de lo=60 mm, o valor 18 kN está entre a espessura do adesivo ta=0,2 e 0,5 mm (19,99 kN – 16,08 kN). Podemos concluir que no caso do adesivo SikaForce® 7888, o método de cedência generalizada é uma excelente aproximação ao melhor desempenho que cada JSS pode produzir para uma determinada sobreposição. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 59 Capítulo 6 Conclusões e trabalhos futuros O trabalho realizado consistiu no estudo de JSS utilizando dois adesivos, o SikaForce® 7888 e o XNR6852, com substratos em CFRP. Estudou-se JSS com diferentes espessuras de adesivo (ta=0,2, 0,5, 1 e 3 mm) e comprimentos de sobreposição (lo=20 e 60 mm) para o adesivo SikaForce® 7888, e apenas com diferentes comprimentos de sobreposição para o adesivo XNR6852 (lo=10, 20, 30, 40, 50 e 60 mm), utilizando-se um valor de ta de 0,2 mm. Todas as JSS foram ensaiadas à tração e registadas as curvas P-δ. De forma a testar diferentes técnicas de previsão, considerou-se uma análise numérica por EF e MDC, bem como uma análise teórica pelo critério da cedência generalizada. Os resultados obtidos nos ensaios das JSS com diferentes espessuras usando o adesivo SikaForce® 7888 mostram que grandes espessuras de adesivo (ta=3 mm) suportam apenas cerca de 50% da força de rotura que a mesma JSS com espessura de adesivo menor (ta=0,2 mm). Esta conclusão está em linha com investigações já publicadas sobre o efeito da variação de ta. Da comparação entre o método de simulação e o método analítico de determinar a força de rotura das JSS, conclui-se que o critério de cedência generalizado é uma aproximação mais correta que as simulações em ABAQUS®, especialmente para valores maiores de lo. No entanto, o critério de cedência generalizado não entra em consideração com a espessura do adesivo, fazendo uma previsão correta apenas para pequenas espessuras de adesivo. As simulações em ABAQUS® mostram um padrão de diminuição da força de rotura para espessuras de adesivo maiores, de forma semelhante aos ensaios realizados. Apesar disto, os valores apresentam variações até cerca de 45% referente à força de rotura (para o caso de lo=20 mm). Isto pode ser explicado pela forma da lei coesiva não ser a mais adequada (os adesivo são extremamente dúcteis isto não é refletido na lei triangular). Com o aumento de lo de 20 para 60 mm, observou-se um aumento de capacidade de carga das juntas, e uma tendência relativamente aos valores de ta. Relativamente ao estudo das JSS com vários valores de lo com o adesivo XNR6852, os resultados mostram um aumento da força de rotura com o comprimento da sobreposição. Tal padrão é também evidenciado nas simulações em ABAQUS® e pelo método de cedência Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 60 generalizado. Os valores obtidos pelas simulações são inferiores aos conseguidos pelos ensaios. O critério de cedência generalizada até à sobreposição de lo=40 mm produz valores superiores por uma pequena margem de 10% aos obtidos nos ensaios, no entanto a precisão do método para valores de lo superiores desvia-se gradualmente dos resultados dos ensaios, até uma diferença de 24%. Sendo assim, mesmo com algumas discrepâncias, o critério da cedência generaliza é uma boa aproximação dos resultados obtidos em ensaios. De uma maneira geral, a espessura do adesivo tem uma importante influência na força máxima que a JSS pode suportar. Uma pequena variação de ≈0,3 mm na espessura do adesivo pode reduzir a capacidade da junta suportar carga em cerca de 15% (para lo=20 mm). Este resultado mostra que é essencial projetar bons métodos de controlo dimensional e de produção para as juntas, porque pequenas variações do posicionamento da máquina ou da espessura do substrato pode aumentar ou diminuir a espessura do adesivo, afetando o seu desempenho. A mesma conclusão é obtida para a variação do comprimento da sobreposição. Refere-se que a utilização de substratos em CFRP apresentou um desafio extra no estudo das juntas adesivas. As JSS em compósitos apresentam limitações na capacidade de absorver forças de arrancamento, existindo a possibilidade de aparecer rotura interlaminar e nas fibras do compósito, como ocorreu em alguns ensaios. Ao analisar JSS com roturas coesivas obteve-se resultados com o comportamento esperado para, a influência da espessura do adesivo e do comprimento de sobreposição. Através da análise e comparação de outros trabalhos científicos que usaram substratos diferentes, obtivermos os mesmos padrões nos resultados. Concluído este trabalho, foi possível compreender e avaliar com precisão o comportamento das juntas adesivas em materiais compósitos, tornado mais seguro e aplicável este tipo de juntas na indústria. Como sugestões de trabalhos a realizar no futuro, de forma a aprofundar e melhorar o trabalho, apresentam-se os seguintes: • Escolher um adesivo frágil para produzir JSS com espessuras elevadas, de forma a obter a comparar os resultados. • Produzir provetes de DCB e ENF em compósito de espessuras diferentes de adesivo SikaForce® 7888 de forma a aferir as propriedades do adesivo a diferentes espessuras. • Realizar as simulações numéricas com as propriedades do adesivo mais adequadas para cada espessura de adesivo. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 61 Referências • (Abaqus 2009) Abaqus Documentation (2009 Dassault Systèmes, Vélizy-Villacoublay • (Adams e Peppiatt 1974) Adams R.D., Peppiatt N.,”J Strain Anal, 9, 185, 1974. • (Amaro et al. 2008) Amaro A.M., Reis P.N.B., Moura M.F.S.F. “Delamination Effect on Bending Behaviour in Carbon–Epoxy Composites”;Blackwell Publishing Ltd 2008. • (Ashby 2006) <http://www.ctb.com.pt/?page_id=442>, “Materials Selection in Mechanical Design, Prof. Michael Ashby, Lectures 2006, pág. 2” visto 18/01/13. • (Aydin 2005) Aydin M.D., Ozel A., Temiz S.” The effect of adherend thickness on the failure of adhesively-bonded single-lap joints”, J. Adhesion Sci. Technol., Vol. 19, No. 8, pp. 705–718 (2005). • (Banea et al. 2009) Banea M.D., da Silva L.F.M., “Adhesively bonded joints in composite materials: an overview” Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials Design and Applications 223: 1, 2009. • (Barenblatt 1959) Barenblatt G.I., “The formation of equilibrium cracks during brittle fracture. General ideas and hypothesis. Axisymmetrical cracks.” J. Appl. Math. Mech. 23, 622–636, 1959. • (Barenblatt 1962) Barenblatt G.I., “The mathematical theory of equilibrium cracks in brittle fracture”. Adv. Appl. Mech. 7, 55–129, 1962. • (Campilho et al. 2005) Campilho R.D.S.G., M.F.S.F. de Moura, J.J.M.S. Domingues, “Modelling single and double-lap repairs on composite materials”. Compos. Sci. Technol. 65, 1948–1958, 2005. • (Campilho et al. 2008) Campilho R.D.S.G., Moura de M.F.S.F., Pinto A.M.G., Morais J.J.L, Domingues J.J.M.S “Modelling the tensile fracture behavior of CFRP scarf repairs”, journal of materials processing technology. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 62 • (Campilho et al. 2009) Campilho R.D.S.G., M.F.S.F. de Moura, J.J.M.S. Domingues, “Numerical prediction on the tensil residual strength of repaired CFRP under different geometric changes.” Int. J. Adhes. Adhes.29, 195–205, 2009. • (Campilho et al. 2012) Campilho R.D.S.G., Banea M.D., Neto J.A.B.P., da Silva L.F.M. “Modelling of single-lap joints using cohesive zone models: effect of the cohesive parameters on the output of the simulations”. J. Adhesion 88 513-533, 2012. • (Cardarelli 2008) Cardarelli F..”Materials Handbook” (2ºEdição);Springer, 2008. • (Carlberger e Stigh 2010) Carlberger T., Stigh U., “Influence of layer thickness on cohesive properties of an epoxy-based adhesive—an experimental study”. J. Adhesion 86, 814–833, 2010. • (Chung 2010)Chung D.D.L. ”Composite Materials” (2º Edição);Springer, 2010. • (Crocombe 1989) Crocombe A.D., Int j adhes Adhes, 9, 145 1989. • (da Silva et al. 2006) da Silva L.F.M., Rodrigues T.N.S.S, Figueiredo M.A.V., de Moura M.F.S.F. e Chousal J.A.G., “J. Adhesion 82 1091, 2006. • (da Silva et al. 2006) da Silva L.F.M, Adams R.D.,”Techniques to reduce the peel stresses in adhesive joints with composites”,International Journal of Adhesion & Adhesives, 2006 • (da Silva et al. 2007) da Silva, L.F.M.. e Magalhães, A. e Moura, M. “Juntas Adesivas Estruturais” (1º Edição); Publindústria, 2007. • (da Silva et al. 2012) da Silva L.F.M. e Campilho R.D.S.G.. “Advances in Numerical Modelling of Adhesive Joints” Springer Briefs in Computational Mechanics, 2012. • (Dugdale 1960) Dugdale D.S., “Yielding of steel sheets containing” slits. J. Mech. Phys. Solids 8, 100–104, 1960. • (Gere et al. 2004) Gere J. e Goodno B. .”Mechanics of Materials” (7º Edição); CENGAGE Learning, 2004. • (Gleich et al. 2001) Gleich D.M., Van Tooren M.J.L. e Beukers A.,”J.adhesion Sci Technol”,15 1091, 2001. • (Goland e Reissner 1944) Goland M. e Reissner E., “J Appl Mech”, 66 A17, 1944. • (Habenicht 2009) Habenicht, G. .”Applied Adhesive Bonding” (1º Edição); WILEY-VCH, 2009. • (Hu 2006) Hu, N. .”Composites and their properties” (1ºEdição); InTech, 2006. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 63 • (Ji et al. 2010) Ji G., Ouyang z., Li G., Ibekwe S. , Pang S.S., “Effects of adhesive thickness on global and local Mode-I interfacial fracture of bonded joints.” Int. J. Solids Struct. 47, 2445–2458, 2010. • (KafkalidiS et al. 2002) Kafkalidis M.S., Thouless M.D., “The effects of geometry and material properties on the fracture of single lap-shear joints”. Int. J. Solids Struct. 39, 4367–4383, 2002. • (Kahraman et al. 2008) Kahraman R.,Sunar M., Yilbas B. “Influence of adhesive thickness and filler content on themechanical performance of aluminum single-lap joints bonded with aluminum powder filled epoxy adhesive”,journal of materials processing technology 205 183–189, 2008. • (Karač 2008) Karač A..” Testing adhesives and adhesively bonded joints”, Universidade de Zagreb, 2008. • (Liljedahl 2006) Liljedahi C.D.M., Crocombe A.D., Wahab M.A., Ashcroft I.A., “Damage modelling of adhesively bonded joints. Int. J. Fract. 141, 147–161, 2006. • (Logan 2010) Logan Daryl L..” A first course in the Finite Element Method”(1º Edição); Cengage Learning, 2010. • (Mahdi et al. 2003) Mahdi S, Kinloch AJ, Matthews, Crisfield MA. “The static mechanical performance of repaired composite sandwich beams: part I”; experimental characterization. Journal of Sandwich Structures and Materials 5:179-202, 2003. • (Nassar et al. 2012) Nassar S.A., Mao J., Yang X. “A damage model for adhesively bonded singlelap thick composite joints”; Journal of Engineering Materials and Technology, 2012. • (Naito et al. 2012) Naito K., Onta M., Kogo Y.”The effect of adhesive thickness on tensile and shear strength of polyimide adhesive”, International Journal of Adhesion & Adhesives 36 77–85, 2012. • (Neto et al. 2012) Neto J.A.B.P; Campilho R.D.S.G.; da Silva L.F.M..”Parametric study of adhesive joints with composites”; International Journal of adhesion & adhesives; 37 96-101, 2012. • (Oliveira 2011) Oliveira, L. “Dissertação e Tese em Ciência e Tecnologia” (1º Edição); LIDEL, 2011. • (Pardoen et al. 2005) Pardoen T., Ferracin T., Landis C.M., Delannay F., “Constraint effects in adhesive joint fracture”. J. Mech. Phys. Solids 53, 1951–1983, 2005. • (Pizzi et al. 2003) Pizzi, A. e Mittal, K.L. .”Handbook of Adhesive Technology” (2º Edição); Marcel Dekker Inc, 2003. • (Rao 2004) Rao Singiresu S..” The Finite Element Method in Engineering” (4º Edição); Elsevier Science & Technology Books, 2004. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 64 • (Saldanha 2012) Saldanha D.F.S, da Silva L.F.M.,Carbas R.J.C., Chaves F.J.P., Nomura K., Ueda T.”Mechanical characterization of a novel epoxy adhesive”; FEUP, 2012. • (Sika 2012) <http://prt.sika.com/>, Dados técnicos SikaForce-7888 L10 (VP); visto 10/10/12. • (Staab 1999) Staab, George H..” Laminar Composites” (1º Edição); Butterworth Heinamann, 1999. • (Turon et al. 2007) Turon A., Costa J., Camanho P.P., Dàvila C.G., “Simulation of delamination in composites under high-cycle fatigue”. Compos. Part A 38, 2270–2282, 2007. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 71 Ilustração 7 - Curvas P-δ para o lo=60 mm e ta=1 mm. Figura 6.1 – Curvas P-δ para o lo=60 mm e ta=3 mm. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 72 Anexo F Ilustração 8 - Curvas P-δ para o lo=10 mm e ta=0.2 mm adesivo XNR6852. Ilustração 9 - Curvas P-δ para o lo=20 mm e ta=0.2 mm adesivo XNR6852. Ilustração 10 - Curvas P-δ para o lo=30 mm e ta=0.2 mm adesivo XNR6852. Efeito da espessura do adesivo na resistência de juntas de sobreposição simples, na ligação materiais compósitos 73 Ilustração 11 - Curvas P-δ para o lo=40 mm e ta=0.2 mm adesivo XNR6852. Ilustração 12 - Curvas P-δ para o lo=60 mm e ta=0.2 mm adesivo XNR6852. Ilustração 13 - Curvas P-δ para o lo=60 mm e ta=0.2 mm adesivo XNR6852.