Fatigue Analysis of Surface Pretreated Adhesively Bonded CFRP using FEM and X-Ray Tomography

Fatigue Analysis of Surface Pretreated Adhesively Bonded CFRP using FEM and X-Ray Tomography. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF (Fatigue Analysis of Surface Pretreated Adhesively Bonded CFRP using FEM and X-Ray Tomography)
Hussain Al-Dakheel Thesis [Eprint].pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 1 March 2021.
Available under License Creative Commons GNU LGPL (Software).

Download (4MB)

Arabic Abstract

البوليمرات المدعمة بالألياف الكربونية هي مادة مربكة تم توظيفها بجدارة في الهياكل الهندسية. العمل على تطوير مادة البوليمرات المدعمة بالألياف الكربونية لاقى اهتماماً واسعاً في الاوساط العلمية والبحثية لما تحمله من مواصفات تناسب العديد من التطبيقات الهندسية والعملية. قوة تحملها العالية بالإضافة إلى قدرتها الفائقة على مقاومة التآكل جعلها مرشحه لتكون بديلاً للمعادن. التطبيقات الهندسية التي يمثل وزن المواد فيها معياراً مهما تفضل استخدامها على المعادن نظراً لخفتها. عادةً تستخدم المثبتات المعدنية مثل الأقفال والمسامير للتجميع والتركيب لبناء الهياكل المركبة لكنها تخلق نقاط ضعف للبوليمرات المدعمة بالألياف وذلك لتسببها في إنشاء مواقع يتركز فيها الضغط مما يؤدي إلى نشوء التصدعات والتفكك. لذلك تستخدم اللواصق الصناعية عالية القوة بدلاً عنها. لتثبيت اللواصق هناك أهمية كبرى لتعزيز الالتصاق عن طريق تجهيز سطح المادة بالتقنيات الميدانية قبل إضافة اللاصق. يتم ذلك عندما تقوم المعالجة السطحية بزيادة خشونة السطح مما يزيد طاقة وسطح الترابط. المعالجة الميكانيكية عادةً تستخدم لكنها تعتمد على مهارة العامل القائم عليها وهناك شواهد على تركها للشوائب على السطح المعالج. المعالجة الكيميائية تعتبر فعالة لكونها تعتمد على التفاعل الكيميائي بين اللاصق والسطح لكنها عادة تترك مواد كيميائية مضرة تحتاج إلى تصريف. بالمقابل تستخدم تقنية الليزر للمعالجة وهي تقنية فعالة وتنتج سطح نظيف ومنتظم بدون شوائب بالإضافة إلى كونها سهلة التحكم. المقارنة بين تقنية الليزر والتقنيات الاخرى في دراسة سابقة أكدت على صلابة المعالجة الليزرية مقارنة بالطرق الأخرى تحت الأحمال الثابتة. للحصول على منظور متكامل حول افضلية المعالجة الليزرية من وجهة نظر ميكانيكية يجب أن تقام دراسة لاختبار قدرة تحملها للأوزان المتكررة بتردد عالي. هذه الدراسة من المفترض أن تشمل نموذج هندسي يحاكي العملية الميكانيكية ويؤكد نتائجها. هذه الدراسة تعمد الى التحقيق في مقاومة مادة البوليمرات المدعمة بالألياف الكربونية المركبة بلاصق صناعي للتصدع الناتج من الأوزان المتكررة. العينات المتوفرة تحتوي على خمس أنواع من المعالجات السطحية لكل عينة بحيث أن التجربة العملية تهدف إلى متابعة التلف الناجم عن الأوزان المتكرر. تم إنشاء نموذج هندسي يعتمد على التحليل العددي لإيجاد معامل الانشقاق. باستخدام تقنية CZM في طريقة العناصر المتناهية تم حساب معدل الطاقة الكامنة Gmax بالإضافة الى تمدد الانشقاق كنتيجة لتراكم الجهد. بسبب وجود ظاهرة فيزيائية مميزة في العينة المعالجة بالليزر، كان هناك حاجة ماسة لاستخدام نموذج خاص لسلوك المادة يعكس التفاعل الفيزيائي فيها والذي يختلف عن بقية العينات. معدل الطاقة الكامنة الناتج عن النماذج الهندسية كان متوافقا مع معدل الطاقة المحسوب من المعادلات التحليلية مما يثبت صلاحية النموذج وتوافقه مع سلوك المادة بالإضافة الى قدرته على توقع نمو التصدعات بدقه. حجم العناصر المتناهية ومعدل الزيادة الزمنية المستخدمين في النموذج كان لهم دور كبير في استخراج نتائج منطقية ودقيقة. بالإضافة لذلك تم معاينة تطور الإجهاد والتشقق في بعض من العينات المختارة باستخدام الأشعة المقطعية. تم عزل الانشقاق باستخدام تقنية الانتقاء المقطعي للتصوير والتحليل والشرح. عند تعديل القيمة الراصدة لحدة الاشعة المقطعية أصبح بالإمكان عزل سطح التشقق وعرضه. الملاحظات دعمت الفرضية القائلة بأن سبب تمدد التشققات تحت الاحمال المترددة هو اندماج التصدع الرئيسي مع التشققات الميكروبية الناتجة عن نمو التجويفات في الاصق.

English Abstract

Carbon fiber reinforced polymers (CFRP) is a composite material that has been reliably implemented in engineering structures. The development of CFRP has been crucial for many industries due to their superior material properties. In countable applications, their strength and stiffness are comparable to metals alloys and yet has the advantage of lighter weight and higher corrosion resistance. Typically, materials are joined to assemble structural components by bolts and rivets. However, such joining methods raise difficulties keeping the structural integrity. Screw holes are stress concentration locations that are considered as weak points in CFRP where cracks may develop causing splits and delamination. Hence, adhesive bonding is utilized to join CFRP substrates. To ensure proper mating, surface pretreatments are performed to increase the surface roughness and to enhance the surface bonding energy. Mechanical surface pretreatments are conventionally used to roughen the surface; however, they are crucially dependent on the skill of the labor and may leave traces of contaminations. Chemical pretreatments are reliable due to the high bonding of the reacted surfaces; however, their disposed components are harmful to the environment. Unconventional methods like plasma are applied but they are not sufficient to cause deep cuttings which is needed to create a rough surface. Laser pretreatment is another unconventional method that has the advantage to XVII overcome all the disadvantages of the previously mentioned techniques beside its controllability. Previous work has been done to compare different pretreatment methods. Laser irradiation in monotonic loading has shown higher toughness and better surface profile. However, fatigue performance of laser irradiation method has not been investigated. The purpose of this research is to investigate fatigue failures in CFRP adhesively joined substrates treated by laser irradiation. Samples with five different types of surface pretreatments were examined. A finite element model is implemented to simulate fatigue crack growth using cohesive zone model (CZM). The model is used to obtain the energy release rate and the crack growth due to the increment of the number of cycles. The unique physics of the crack growth in the high-power laser ablation required different type of cohesive zone constitutive behavior than the rest of the samples as it induced fiber bridging phenomena within the crack surface. The resulted energy release rate from the model for both types of constitutive behaviors has shown a small scatter of within 10% of the analytically obtained values while the predicted crack length was accurately matching the experimentally estimated values. It was found that the mesh size plays an important rule in obtaining rational and persuasive numerical outcomes. Similarly, when the exponential constitutive behavior is implemented in the cohesive zone model to simulate the crack growth in the high-power laser sample, the time increment is observed to be vital in Roe model. In order to visualize the fatigue damage accumulation in the adhesively bonded substrate, computed tomography was used to observe crack surface for static and fatigue tests. When the x-ray intensity threshold value was adjusted, the segment of the crack surface was isolated and became presentable. The observations have supported the previous studies which stated that the fatigue crack growth is caused by immergence of the main crack with the microcracks ahead of the crack tip. Those microcracks are believed to be generated from the adhesive cavities, which are experiencing strain concentrations around them as the cyclic loading is being applied.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Construction
Engineering
Research
Research > Engineering
Research > General
Physics
Mechanical
Department: College Of Engineering Sciences > Mechanical Engineering Dept
Committee Advisor: Albinmousa, Jafar
Committee Members: Lubineau, Gilles
Depositing User: HUSSAIN ALDAKHEEL (g200769430)
Date Deposited: 20 Dec 2020 11:36
Last Modified: 20 Dec 2020 11:36
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141745