Identification of the Cohesive Parameters for Modelling of Bonded Joints between Flat Composite Adherends with Thick Layer of Adhesive

Abstract

The failure of bonded composite materials is accompanied by specific failure modes. These are specifically Mode I, Mode II, Mode III, and their combination (so-called mixed mode). These modes depend on the direction and type of loading. The mechanical properties describing the damage initiation and the damage evolution are unique according to the type of adhesive and present mode of failure. However, a few research studies have focused on an adhesive thicknesses greater than 0.2 mm. The main objective of this research is to investigate the mechanical properties of a bonded joint with large adhesive thickness loaded according to Modes I and II. The observed failure parameters, the cohesive and damage parameters, are identified by minimizing the difference between the force–displacement diagram obtained from the experimental data for both Mode I and Mode II. The finite element model is confronted with these parameters and is evaluated based on their agreement. Compared to other studies with a small adhesive layer thickness, the values of failure parameters are lower. The results show that the adhesive thickness has an influence on the values of cohesive and damage parameters and that these parameter values decrease significantly compared to a small adhesive thickness. The obtained parameters can be further used to predict the fracture toughness of other bonded joints loaded in any direction.

Poruchy lepených kompozitních materiálů jsou doprovázeny specifickými způsoby poruch. Jedná se konkrétně o režim I, režim II, režim III a jejich kombinaci (tzv. smíšený režim). Tyto režimy závisí na směru a typu zatížení. Mechanické vlastnosti popisující iniciaci a vývoj poškození jsou jedinečné podle typu lepidla a přítomného způsobu porušení. Málo výzkumných studií se však zaměřilo na tloušťky lepidla větší než 0,2 mm. Hlavním cílem tohoto výzkumu je zkoumat mechanické vlastnosti lepeného spoje s velkou tloušťkou lepidla zatíženého podle režimů I a II. Sledované parametry porušení, kohezní parametry a parametry poškození, jsou identifikovány minimalizací rozdílu mezi diagramem síla-posunutí získaným z experimentálních dat pro režim I i režim II. Model konečných prvků je konfrontován s těmito parametry a je vyhodnocen na základě jejich shody. Ve srovnání s jinými studiemi s malou tloušťkou adhezní vrstvy jsou hodnoty parametrů porušení nižší. Výsledky ukazují, že tloušťka adheziva má vliv na hodnoty kohezních parametrů a parametrů porušení a že hodnoty těchto parametrů ve srovnání s malou tloušťkou adheziva výrazně klesají. Získané parametry lze dále použít k předpovědi lomové houževnatosti dalších lepených spojů zatížených v libovolném směru.