Click here to load reader

ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE iii 6.4.3 Modelul Hart - Smith 59 6.5 Analiza pe cale numerică a stării

  • View
    3

  • Download
    1

Embed Size (px)

Text of ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN COMPOZITE...

  • UNIVERSITATEA TEHNICĂ „GHEORGHE ASACHI” DIN

    IAȘI

    FACULTATEA DE CONSTRUCȚII ȘI INSTALAȚII

    ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE

    PULTRUDATE DIN COMPOZITE

    POLIMERICE ARMATE CU FIBRE

    – TEZĂ DE DOCTORAT –

    Doctorand:

    Ing. Dragoș Ungureanu

    Conducător de doctorat:

    Prof. univ. dr. ing. dr. H.C. Nicolae Țăranu

    IAȘI – 2018

  • ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN

    COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE

    i

    CUPRINS

    Cuprins i

    Lista figurilor v

    Lista tabelelor xi

    Capitolul 1 Introducere 1

    1.1 Generalități 1

    1.2 Motivația și obiectivele cercetării 2

    1.3 Conținutul tezei 3

    Capitolul 2 Stadiul actual al cercetării în domeniul îmbinărilor adezive pentru

    elemente compozite

    5

    2.1 Introducere 5

    2.2 Aplicații ale îmbinărilor adezive pentru elemente pultrudate din CPAF 6

    2.3 Stadiul actual al cercetării în domeniul îmbinărilor adezive pentru elemente

    compozite

    12

    2.3.1 Generalități 12

    Capitolul 3 Materiale compozite polimerice armate cu fibre 17

    3.1 Introducere 17

    3.2 Tipuri de fibre 23

    3.2.1 Fibre de sticlă 23

    3.2.2 Fibre de carbon 25

    3.2.3 Fibre aramidice 26

    3.3 Tipuri de matrice polimerice 26

    3.3.1 Rășini epoxidice 27

    3.3.2 Rășini poliesterice 28

    3.3.3 Rășini vinilesterice 29

  • CUPRINS

    ii

    3.3.4 Rășini termoplastice 29

    Capitolul 4 Adezivi pentru îmbinarea elementelor 31

    4.1 Introducere 31

    4.2 Clasificarea adezivilor 33

    4.2.1 Clasificare în funcție de compoziția chimică 34

    4.2.2 Clasificare în funcție de natura adezivului 36

    4.2.3 Clasificare în funcție de forma de ambalare 36

    4.2.4 Clasificare în funcție de comportarea mecanică a adezivilor 37

    4.3 Criterii de selecție a adezivului 38

    Capitolul 5 Rezistența de aderență 39

    5.1 Introducere 39

    5.2 Teorii de aderență 40

    5.2.1 Teoria conlucrării mecanice 40

    5.2.2 Teoria atracției electrostatice 42

    5.2.3 Teoria adsorbției 42

    5.2.4 Teoria legăturilor chimice 45

    5.2.5 Teoria difuziei moleculare 45

    5.3 Caracterizarea suprafețelor straturilor suport și selectarea soluției optime de

    tratament de suprafață

    46

    5.4 Studiul microscopic al suprafețelor elementelor CPAF 48

    5.4.1 Descrierea studiului experimental 49

    5.4.2 Gradul de omogenitate a suprafețelor elementelor CPAF 50

    5.4.3 Porozitatea elementelor CPAF 51

    5.5 Concluzii 53

    Capitolul 6 Principii de proiectare a îmbinărilor realizate cu adezivi 54

    6.1 Introducere 54

    6.2 Tipuri de îmbinări adezive 54

    6.3 Analiza stării de tensiuni din îmbinările adezive 57

    6.4 Studiul analitic al stării de tensiuni din îmbinările adezive 57

    6.4.1 Modelul Volkersen 58

    6.4.2 Modelul Goland - Reisner 59

  • ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN

    COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE

    iii

    6.4.3 Modelul Hart - Smith 59

    6.5 Analiza pe cale numerică a stării de tensiuni din îmbinările adezive 60

    6.6 Calculul îmbinărilor adezive pe baza modelelor analitice și numerice și a

    programelor experimentale

    63

    6.6.1 Proiectarea îmbinărilor realizate prin suprapunere simplă 64

    6.6.2 Proiectarea îmbinărilor în straturi sau cu eclise duble 65

    6.6.3 Considerente generale aplicate în proiectarea îmbinărilor adezive 66

    6.7 Studiu comparativ între metodele analitice și metodele numerice aplicate în

    vederea obținerii răspunsului structural al îmbinărilor adezive

    66

    6.7.1 Caracteristicile geometrice ale îmbinărilor analizate 67

    6.7.2 Studiul distribuției tensiunilor pe cale analitică 69

    6.7.3 Analiza numerică bazată pe metoda elementului finit 70

    6.7.4 Rezultate 71

    6.8 Optimizarea parametrilor constructivi ai îmbinărilor adezive pentru

    elemente pultrudate din CPAF

    75

    6.8.1 Caracteristicile geometrice ale îmbinărilor analizate 76

    6.8.2 Conceperea modelelor numerice 77

    6.8.3 Rezultate 77

    6.9 Concluzii 80

    Capitolul 7 Cercetări experimentale privind eficiența structurală a îmbinărilor

    adezive pentru elemente pultrudate

    83

    7.1 Generalități 83

    7.2 Metodologii de investigare experimentală a îmbinărilor adezive 84

    7.3 Caracterizarea modurilor de cedare specifice 85

    7.4 Program experimental pentru investigarea îmbinărilor adezive dintre

    elemente CPAF

    87

    7.4.1 Introducere 87

    7.4.2 Descrierea epruvetelor fabricate pentru programul experimental 89

    7.4.3 Asamblarea epruvetelor 96

    7.4.4 Instrumentarea epruvetelor 107

    7.4.5 Descrierea metodologiei de testare 109

    Capitolul 8 Rezultate ale programului experimental privind eficiența structurală a

    îmbinărilor adezive pentru elemente pultrudate

    112

  • CUPRINS

    iv

    8.1 Introducere 112

    8.2 Investigarea modurilor specifice de cedare în raport cu forțele capabile

    ultime dezvoltate de îmbinări

    112

    8.2.1 Cedarea prin desprinderea și ruperea fibrelor 120

    8.2.2 Cedarea prin cumul de moduri specifice 122

    8.2.2.1 Combinație între modul dominant (desprinderea și ruperea fibrelor) și

    modul secundar – desprinderea la nivelul interfeței

    122

    8.2.2.2 Combinație între modul dominant (desprinderea și ruperea fibrelor) și

    modul secundar – cedare coezivă

    124

    8.3 Trasarea curbelor forță - deplasare 125

    8.4 Trasarea curbelor tensiuni tangențiale – deformații specifice 128

    8.5 Variația deformațiilor specifice în lungul zonei de îmbinare 135

    8.6 Trasarea curbelor tensiuni tangențiale – lunecare 142

    8.7 Concluzii 150

    Capitolul 9 Modelare numerică a comportării îmbinărilor adezive pe baza metodei

    cu elemente finite

    153

    9.1 Introducere 153

    9.2 Modelarea și analiza numerică a îmbinărilor adezive pentru elemente

    pultrudate din compozite polimerice armate cu fibre de sticlă (CPAFS)

    154

    9.2.1 Conceperea modelelor numerice 154

    9.2.2 Rezultatele modelării numerice 156

    9.3 Concluzii 170

    Capitolul 10 Concluzii generale, contribuții personale și valorificarea rezultatelor 171

    10.1 Concluzii generale 171

    10.2 Contribuții personale 180

    10.3 Valorificarea rezultatelor 182

    Bibliografie generală 185

  • ÎMBINĂRI ADEZIVE PENTRU ELEMENTE PULTRUDATE DIN

    COMPOZITE POLIMERICE ARMATE CU FIBRE

    v

    Lista figurilor

    Capitolul 2

    Figura 2.1 ”The Eyecatcher” building

    Figura 2.2 Poduri din materiale CPAF

    Figura 2.3 Pod rutier peste autostrada M6, fabricat din profile compozite ASSETS

    Figura 2.4 Podul Lleida din Spania

    Capitolul 3

    Figura 3.1 Structura și fazele materialelor compozite

    Figura 3.2 Criterii de clasificare a materialelor compozite în funcție de tipul matricei și al

    armăturilor Figura 3.3 Sistemul de armare a materialelor compozite

    Figura 3.4 Tipuri de dispunere a fibrelor

    Figura 3.5 Tipuri de fibre de sticlă: a) rovinguri, b) țesături, c) microfibre

    Figura 3.6 Fibre de carbon: a) țesături, b) înglobate în lamele

    Figura 3.7 Fibre aramidice: a) rovinguri, b) microfibre, c) țesături

    Capitolul 4

    Figura 4.1 Criterii de clasificare ale adezivilor

    Figura 4.2 Clasificarea adezivilor în funcție de natura produșilor componenți

    Figura 4.3 Adezivi cu comportare liniară – grafic tensiuni tangențiale - lunecare

    Figura 4.4 Adezivi cu comportare neliniară – grafic tensiuni tangențiale - lunecare

    Capitolul 5

    Figura 5.1 Mecanismul conlucrării mecanice

    Figura 5.2 Teoria electrostatică

    Figura 5.3 Umectarea suprafeței și răspândirea adezivului în cazul materialelor CPAF

    a - cu textură netedă, b - cu textură rugoasă Figura 5.4 Unghiul de contact Ɵ pentru diferite cazuri de umectare

    Figura 5.5 Picătură de lichid pe suprafața elementului CPAF, în stare de echilibru

    Figura 5.6 Mecanismul difuziei:

    a – inter-difuzia moleculelor adezivului, b – inter-difuzia moleculelor substraturilor Figura 5.7 Epruvete: а) G1; b) G2; c) G3; d) C1; e) C2; f) C3

    Figura 5.8 Centrarea și focalizarea probei. Microscop inversat XJP-6A echipat cu cameră DV-2C

    Figura 5.9 Micro-fisuri localizate la suprafața probelor (100x):

    а) G1; b) G2; c) G3; d) C1; e) C2; f) C3

    Figura 5.10 Imagini procesate ale epruvetelor, corespunzător gradelor de porozitate și rugozitate:

    а) G1; b) G2; c) G3; d) C1; e) C2; f) C3

    Figura 5.11 Regiunile specifice corespunzătoare valorilor maxime ale porozității și rugozității.

    Localizarea punctelor de măsurătoare. а) G1; b) G2; c) G3; d) C1; e) C2; f) C3