بررسي عددي تاثير تنش هاي تورمي حاصل از نفوذ رطوبت بر رفتار آسيب اتصالات چسبي تحت بارگذاري استاتيكي

Numerical study of the effect of moisture–induced swelling stresses on damage behavior of adhesive joints under static loading

يكي از محدوديت هاي مهم استفاده از اتصالات چسبي، تضعيف لايه ي چسب در مقابل عوامل مخرب محيطي مانند رطوبت مي باشد. استفاده از روش هاي عددي براي پيش بيني استحكام اتصالات چسبي در معرض رطوبت مي تواند موجب صرفه جويي مهمي در وقت و هزينه شود. در اين تحقيق ابتدا نحوه ي بررسي آزمايشگاهي و مدل‌سازي عددي فرايند كامل نفوذ رطوبت به داخل لايه ي چسب و اثر تخريبي آن بر استحكام اتصال چسبي، تبيين شده است. سپس فرايند مذكور براي يك اتصال تك لبه اي با چسب حساس به فشار SBT 9244 و چسبنده ي آلياژ آلومينيوم AL2024-T3 با طول اتصال و زمان هاي در معرض‌گذاري مختلف به كار برده شد. در مرحله ي اول توزيع رطوبت در زمان هاي در معرض‌گذاري 30، 60 و 90 روز در محيط با رطوبت نسبي 100% به دست آمد. سپس با استفاده از مدل ناحيه چسبناك، تست كشش اتصال تك لبه اي در زمان هاي مختلف شبيه‌سازي شد و استحكام باقيمانده ي آن تخمين زده شد. در اين شبيه سازي پارامترهاي مدل ناحيه چسبناك براساس نتايج آزمايشگاهي ساير محققين به دست آمد و اثر تخريبي رطوبت با تعريف پارامترهاي مدل ناحيه چسبناك به‌صورت تابعي از ميزان رطوبت جذب شده تعيين گرديد. شبيه سازي يك بار بدون در نظر گرفتن تورم لايه ي چسب و بار ديگر با در نظر گرفتن تورم انجام شد. تنش-هاي تورمي نيز به‌طور جداگانه در زمان هاي مختلف به‌دست آمد. مشخص شد، تاثير تورم در اتصال با طول بزرگ تر و زمان در معرض گذاري كم‌تر، قابل توجه تر بوده است.

The main limitation of the use of adhesive joints is susceptibility of the adhesive layer to damaging environmental factors such as humidity. Use of numerical methods for predicting the strength of adhesive joints exposed to moist environment can save a significant amount of time and cost. In this study, first, experimental investigation and numerical modeling of the complete process of moisture diffusion into the adhesive layer and its damaging effect on the adhesive joint strength were determined. Then this process was applied for a single lap joint of SBT 9244 pressure sensitive adhesive and AL2024-T3 aluminum alloy substrate with two 12.5 and 50 mm overlap of lengths. In the first step, moisture distribution for 30, 60 and 90 days exposure time in environmental condition of 100% relative humidity was obtained. Then single lap joint tensile test was simulated using cohesive zone model for different exposure times. In this simulation cohesive zone model parameters were determined in such a way that numerical failure load and the existing experimental failure load were in good agreement. The cohesive zone model parameters were determined depending on the moisture content. The first simulation was done without considering swelling and in the second, swelling was considered. Swelling stress was obtained separately at different exposure time periods. It was found that swelling effect was more considerable in the joints with longer overlap length and shortened exposure time.