Numerical Evaluation of Adhesively Bonded Repair in Composite Structures

Sin dagli anni settanta, i materiali compositi sono stati utilizzati per la costruzione di parti secondarie come flaps, elevatori, slats, etc. D’altra parte, solo negli ultimi anni, i compositi sono stati usati per la costruzione di parti primarie di aeromobili, come le ali e la fusoliera. Aerei come Airbus 350 o il Boeing 787 hanno visto un incremento di parti primarie in composito di oltre il 50%. Nella sua normale vita operativa, ogni aereo subisce dei danni, e questo richiederà in poco tempo nuove conoscenze per le riparazioni, nuove procedure e tecnologie per adattare I metodi di riparazioni tradizionali. Le tecnologie di riparazioni rivettate, come usate nelle strutture metalliche, sono le uniche riparazioni approvate e certificate per le strutture aerospaziali in composito. D’altra parte, per grandi riparazioni e per il completo ripristino di una struttura primaria, le riparazioni ad incollaggio sono da preferire, soprattutto per gli ovvi vantaggi nella riduzione di peso, maggiore efficienza nel consumo di carburante dovuto alla riduzione di resistenza aerodinamica e peso. Non ci sono discontinuità nell’integrità strutturale dovuta alla foratura, portando di conseguenza ad una migliore capacità di trasferire il carico. In questo lavoro, un’analisi numerica è stata fatta con Abaqus/CAE 6.13-1 (Dassault Systèmes Simulia Corp., Providence, RI, USA) per capire il comportamento di un incollaggio debole, un incollaggio che sembra forte ma ha una scarsa resistenza. Il campione utilizzato è di 50x70 mm in materiale Texipreg HS 160 RM (SEAL , Legnano, ITALY) con un foro di 10 mm di diametro. Le lamine selezionate per il laminato è [02, 902]s con uno spessore di 1,2 mm (8 x 0,15 mm). Viene poi applicata una riparazione circolare incollata con un diametro di 20 mm per simulare una tipica riparazione detta Single Side bonded strap repair, cioè incollata su un solo lato del laminato. Dati sperimentali sono stati presi dalla letteratura per validare il modello (Campilho RDSG, de Moura MFSF, Domingues JJMS, Morais JJL., Tensile behaviour of three-dimensional carbon-epoxy adhesively bonded single- and double-strap repairs, International Journal of Adhesion&Adhesives 29; 2009; 678–686). Obiettivo principale della tesi è stato quello di determinare, primariamente, la sensibilità allo spessore di adesivo. Poi l’analisi si è focalizzata sulla ricerca di una correlazione tra incollaggi deboli e forti, utilizzando un metodo innovativo per capire il comportamento di un incollaggio debole. Il trucco utilizzato per simulare la debolezza di un Single Side strap repair è stato quello di eseguire dei tagli nel materiale adesivo, incrementando progressivamente la larghezza del taglio in diverse direzioni. I risultati sono illustrati negli ultimi due capitoli della tesi, e forniscono alcune informazioni utili sul comportamento di un incollaggio debole, così da migliorare la comprensione di una riparazione ad incollaggio. Sono sicuramente necessarie ulteriori indagini per capire meglio un tale comportamento. Prima di tutto, sarebbe opportuno validare il modello con dati sperimentali. In un secondo momento, dopo la validazione del modello, si potrebbe indagare includendo nel modello la preparazione delle superfici da incollare, e la temperature/umidità della stanza dove vengono effettuate le riparazioni. Infine, non meno importante, il modello potrebbe essere usato per investigare una riparazione con incollaggio doppio, cioè un Double Side strap repair.

Since seventies, the use of composite materials was used in aircraft construction to build secondary structures like flaps, elevators, slats, etc. However, only in the last few years, composite have been used in aircraft primary structures, as wings and fuselage. As a result, aircrafts like Airbus 350 or Boeing 787 rose use of composite up to 50%. In his normal life, every aircraft have damages, and this will demand in a few time new repair knowledge, procedures and technologies to adapt traditional repair method. Bolted repair technologies, as used for metallic structures, is currently the only approved and certified repair technique for aerospace composite structures. However, for large repairs and the refurbishment of a complete primary structure, bonded repair is preferred due to the obvious advantages in weight reduction, fuel efficiency due to reduced drag and weight. There is no disruption of structural integrity by hole drilling, consequently resulting in a better load transfer capability. In this work, a numerical analysis is made with Abaqus/CAE 6.13-1 (Dassault Systèmes Simulia Corp., Providence, RI, USA)to understand the behaviour of a weak bond, a bond that seems strong but have a poor strengthen. The specimen used is a 50x70 mm carbon epoxy Texipreg HS 160 RM (SEAL , Legnano, ITALY) with a hole of 10 mm diameter. The lay-up selected for the laminates is [02, 902]s with a thickness of 1,2 mm (8 x 0,15 mm). Then a bonded patch of 20 mm diameter is applied to simulate a single side bonded strap repair. Experimental data were taken from literature to validate the model (Campilho RDSG, de Moura MFSF, Domingues JJMS, Morais JJL., Tensile behaviour of three-dimensional carbon-epoxy adhesively bonded single- and double-strap repairs, International Journal of Adhesion&Adhesives 29; 2009; 678–686). The principal aim of this work was to determine, at first, adhesive thickness sensibility. Then, analysis focused on finding a correlation between strong and weak bond, using an innovative method to understand the behaviour of a weak bond. The trick used to simulate the weakness of a single side strap repair was to do some cuts in the adhesive material, increasing progressively the gap of these cuts in different directions. Results are illustrated in the last two chapter of the thesis, and give us some information on the behaviour of a weak bond, so to improve the comprehension of a bonded repair. Further investigations are necessary to a better understanding of this behaviour. First, validation of the model with experimental data would be appropriate. In second instance, it would be possible to take into account surface preparation of the specimen and temperature/humidity of the room where repairs are made. Finally yet importantly, the model could be used to investigate a double side strap repair.