Effects of various parameters on the strength and failure mode of bolted, bonded and hybrid single lap joints: An experimental and numerical study

Abstract

Havacılık ve otomotiv endüstrisi gibi ileri mühendislik uygulamalarındaki gelişmelere paralel olarak, benzer ve farklı malzemelerin birleştirilmesi teknikleri çok önemli bir konu haline gelmiştir, diğer bir ifade ile üstün özelliklere sahip bağlantılara olan ihtiyaç giderek büyümektedir. Alternatif olarak iki veya daha fazla birleştirme tekniğinin kombinasyonu olan hibrid bağlantılar onu oluşturan bağlantı tekniklerinin her birinden daha üstün özelliklere sahip olabilmesi açısından araştırılmaktadır. Bu tezde civata, yapıştırıcı ve hibrid konfigürasyonuna sahip tek tesirli bağlantıların çekme yüküne maruz bırakılmaları halindeki mekanik performansları yapıştırılan numunelerin kalınlıkları, bindirme uzunlukları ve yapıştırılan malzemelerin farklı mekanik özelliklere sahip olması gibi farklı parametreler için karşılaştırılmıştır. Bu amaçla deneysel ve nümerik çalışmalar birlikte gerçekleştirilmiştir. Sonlu elemanlar simülasyonlarında, kohezif bölge elemanı, sünek ve kayma hasar modelleri sırasıyla yapıştırıcı tabaka, yapıştırılan numune ve civata malzemelerinin modellenmesinde kullanılmıştır. Farklı konfigürasyonlar için kuvvet-yerdeğiştirme, absorbe edilen enerji miktarı ve kırılma hikayesi farklı tek tesirli bağlantıların mukavemetlerini değerlendirebilmek için detaylı bir şekilde analiz edilmiştir.

In line with the developments in advanced engineering applications, such as the aerospace and automotive industries, the techniques of joining similar and dissimilar materials have become a crucial issue, and the necessity for a superior joint has significantly grown. Compared to conventionally used bolted, riveted and pinned joints, adhesively bonded joints have been increasingly used due to their improved fatigue life and damage tolerance, lower structural weight and easy manufacturing, especially the case when relatively thin adherends are used. Alternatively, hybrid joints, a combination of two or more joining techniques, are presently investigated to create a joint with higher strength than those gained from one technique. In this thesis, we compare and contrast the mechanical performance of bolted, bonded and hybrid single lap joints subject to tensile loading for various parameters such as adherend thickness, overlap length and adherend material with different mechanical properties, such as yield, tensile strength and ductility. To this end, a combined experimental and numerical study was performed. In finite element simulations, cohesive zone, ductile and shear damage models were used to model the damage initiation and evolution of the adhesive film layer (AF163-2K), aluminum adherend (AL6061 and AL7075) and the steel bolt materials. Force displacement curves, the amount of energy absorbed and failure history for each configuration tested were analyzed extensively to determinethe strength of various joints.