Caracterización y modelización de adhesivos hiperelásticos, y su aplicación en uniones estructurales de alta flexibilidad

Abstract

El interés en las uniones adhesivas ha crecido significativamente en el ámbito industrial, y su aplicación se está expandiendo en industrias como la ferroviaria, automotriz y aeroespacial. En particular, el uso de adhesivos flexibles se ha convertido en una tendencia en la industria debido a las ventajas que ofrecen, a pesar de estar menos estudiados que los adhesivos rígidos. Sin embargo, el diseño de estas uniones adhesivas sigue siendo un desafío para los ingenieros debido a que los adhesivos flexibles se encuentras menos estudiados, y no se cuenta en muchos casos con daros suficientes para predecir su comportamiento. Los modelos existentes desarrollados para adhesivos rígidos no pueden predecir con precisión el comportamiento de uniones con adhesivos flexibles, que presentan un bajo modulo elástico, incompresibilidad y grandes deformaciones hasta la rotura. Dado que las simulaciones numéricas se están convirtiendo en una parte integral del diseño de componentes, los ingenieros se enfrentan constantemente al reto de elegir el modelo adecuado, ya que es un requisito para obtener buenas predicciones numéricas. Ante esta situación, la presente tesis doctoral se centra en la caracterización mecánica de adhesivos con comportamiento hiperelástico y se busca determinar las leyes de comportamiento más adecuadas para su inclusión en modelos de simulación. En primer lugar, se realiza un plan de ensayos con probetas sencillas con configuraciones uniaxial y planar, diseñadas para medir el comportamiento no lineal de los adhesivos tanto a tracción como a cizalladura pura respectivamente. A diferencia de la probeta uniaxial, regulada por la norma de ensayo (ISO-37), para la probeta planar no existe una norma específica. Por tanto, en una primera fase de esta investigación se propone llevar a cabo ensayos con probetas de diferentes dimensiones (ancho-longitud) para evaluar cómo afectan estas dimensiones a los resultados obtenidos. Se utilizan entonces modelos de elementos finitos para ajustar las leyes de comportamiento del material hiperelástico. Se realizan modelos de las probetas de halterio y planar utilizando diferentes leyes de comportamiento hiperelásticas. Se sigue un procedimiento de ajuste, y se determina que modelo se aproxima mejor a los datos experimentales. Una vez ajustado el modelo hiperelástico, debería ser posible utilizarlo para simular el comportamiento de diferentes configuraciones de uniones. Para validar el modelo de material seleccionado, se modelizan uniones de simple solape (SLJ) y pelado (DCB) con diferentes espesores de adhesivo, comparando los resultados con los obtenidos experimentalmente mediante el ensayo de probetas con las mismas configuraciones. Tras la comprobación del correcto funcionamiento del modelo, se simulan uniones sometidas a diferentes esfuerzos. Además, se ha probado la metodología desarrollada usándola para caracterizar otros tipos de adhesivos hiperelásticos, y para caracterizar la influencia de diferentes condiciones ambientales. Finalmente, con el objetivo de evaluar la aplicabilidad de lo desarrollado en esta tesis, se realizan estudios de uniones utilizadas en carrocerías de vehículos industriales, obteniendo buenos resultados.

Interest in adhesive bonding has significantly increased in the industrial field, and its application is expanding in industries such as rail, automotive and aerospace. In particular, the use of flexible adhesives has become a trend in the industry due to the advantages they offer, despite being less studied than rigid adhesives. However, the design of these adhesive bonds remains a challenge for engineers because flexible adhesives are less well studied, and in many cases, there is insufficient data to predict their behavior. Existing models developed for rigid adhesives cannot accurately predict the behavior of flexible adhesive bonds, which exhibit low modulus of elasticity, incompressibility and large strains to failure. As numerical simulations are becoming an integral part of component design, engineers are constantly faced with the challenge of choosing the most appropriate model, as this is a prerequisite for accurate numerical predictions. In light of this situation, this doctoral thesis focuses on the mechanical characterisation of adhesives with hyperelastic behaviour and aims to determine the most suitable behavioral laws for their inclusion in simulation models. Initially, a test plan is implemented using simple specimens with uniaxial and planar configurations, designed to measure the non-linear behaviour of the adhesives in both tensile and pure shear respectively. In contrast to the uniaxial specimen, which is regulated by the test standard (ISO-37), there is no specific standard for the planar specimen. Consequently, in the initial phase of this research, it is proposed that tests be conducted with specimens of varying dimensions (width-length) to ascertain the influence of these dimensions on the results. Finite element models are subsequently utilized to fit the hyperelastic material behaviour laws. Models of the dumbbell and planar specimens are made using different hyperelastic behaviour laws. A fitting procedure is adhered to, and it is determined which model most accurately approximates the experimental data. Once the hyperelastic model has been adjusted, it can be used to simulate the behaviour of different joint configurations. To validate the chosen material model, single lap (SLJ) and peel (DCB) joints with different adhesive thicknesses are modeled. The results are then compared with those obtained experimentally by testing specimens with the same configurations. Once the model has been verified to be functioning correctly, the simulation is initiated and the joints subjected to different stresses are analysed. Moreover, the developed methodology has been tested by applying it to characterise other types of hyperelastic adhesives, and to assess the influence of different environmental conditions. Finally, to assess the applicability of the findings presented in this thesis, studies were conducted on joints used in industrial vehicle bodies, yielding encouraging results.