Adhesive bonding of fiber laminate patch to sandwich-structured composite

Abstract

By using composites when constructing vehicles, lighter weight and thus better performance can be achieved. Composites are widely used in airplanes and small boats, but has yet to be incorporated in larger ships such as freighters and cruise ships. The main hindrance for its use is the lack of practical knowledge and experience. However, the Visby corvette is a 70 m ship made entirely out of composite and a great proof of concept. The Visby is made by Saab Kockums which also uses composites in many other of their products and continually seeks improvements. One such improvement can be made in joining techniques by attaching composite structures with an adhesive. However, predicting the load bearing capability of adhesive joints proved difficult. Therefore, a literature survey has been carried out to find the most important parameters for the load bearing capability of the adhesively attached patch. After this investigation it was decided that stress concentrations arising in the adhesive joint should be investigated with finite element (FE) methods and confirmed with optical microscope images of patches that had already been mechanically tested. FE modeling succeeded in predicting failure in accordance with the adhesive joints that were modeled. The microscope images confirmed the results from the FE modeling, but also revealed areas of failure in the adhesive joint which could not be predicted with the FE models. Improvements for the FE model were also discussed to facilitate its use when constructing composite structures. A better model would aid in expanding the use of composites and reaping the benefits of those materials.

Popular Abstract (Swedish)

Saker som ska röra sig har ofta stor fördel av att vara lätta, då detta minskar energin som krävs för att få dem att röra sig och eller ökar deras topphastighet. Detta har flitigt använts inom flygindustrin där strikta krav ställs på flygplan vad gäller nyttolast och bränsleförbrukning. En stor del i detta utvecklingsarbete har bestått i att ändra eller förbättra materialen som flygplan byggs i. Denna materialutveckling har även skett bland båtar som gått från att byggas i trä, till smidesjärn och sedan stål. Här blev emellertid resultatet att båtar kunde byggas mycket större snarare än att de blev lättare även om det ofta också var fallet.

Dagens Flygplan är till stor del byggda av kompositmaterial och deras styrka, styvhet och låga vikt har bidragit till att öka flygplanens prestanda. I takt med att dessa material blir billigare och att kunskapen om dem ökar blir möjligheten att använda dem till bilar och båtar allt större.

Dock låter kanske inte komposit så nytt för båtentustiasten som redan har en glasfiberbåt i garaget. Men i stora lastfartyg eller i stora kryssningsfartyg används i princip kompositer aldrig som byggnadsmaterial. Trots detta kan den lägre skeppsvikten som kommer av att bygga i komposit leda till fördelar som högre hastighet, lägre bränsleförbrukning och ökad stabilitet. Det som står i vägen för dessa fördelar är potentiellt för låg styvhet för vissa applikationer, potentiellt höga kostnader och avsaknad av storskaliga produktionsanläggningar. Framförallt är det dock avsaknad av erfarenhet på området som saknas. Skeppsbygge är en väldigt gammal kunskap som utvecklats över lång tid för att lyckas inse alla möjligheter och undvika alla fallgropar. Därför är materialbyte inte något som görs på en dag, särskilt inte när man byter från stål till kompositer vilka är väldigt olika material.

Ett skepp som dock ligger i framkant när det gäller att använda kompositer är Visbykorvetten som är över 70 m långt helt gjord i kolfiberkomposit vilket ger den halva vikten jämfört med ett stålskepp i samma storlek. Kockums, företaget som tillverkat Visby, använder även kompositer till radarmaster och skeppsöverbyggnader som de tillverkar och moderbolaget Saab använder kompositer till deras flygplan. Därför finns det ett stort intresse av att förbättra förmågan att bygga med kompositer. Ett potentiellt sätt att göra detta på är genom att använda mer limförband mellan kompositdelar istället för skruvförband med håltagning och stålinsatser ingjutna i kompositstrukturen. Genom teknikskiftet kan ett lättare och starkare förband fås som dessutom går att flytta eller modifiera utan att reparation av hål i strukturen krävs.

I denna rapport undersöks relevanta parametrar för bärförmågan i denna nya typ av limfog genom att studera litteratur på området. Bland dessa parametrar finns frågan om ifall limmet som används är rätt för uppgiften, om det kemiskt kan försvaga härdplasten som håller ihop kolfibrerna och vilken tjocklek man bör ha på limfogen. Litteraturstudien kompletteras med en mer noggrann undersökning av fästpunktens utformning eller snarare hur denna utformning orsakar en ojämn lastfördelning i limfogen. Undersökningen av limfogen görs med hjälp av finita element metoder, ett kraftfullt verktyg där stora föremål som normalt hade behövt beskrivas av komplicerade differentialekvationer delas upp i ett stort antal små delar. Dessa delarna kan beskrivas med mycket simplare ekvationer som sedan summeras och används för att approximera det mer komplicerade problemet, en uppgift som är perfekt för en dator. Finita element metoderna kompletteras med optisk mikroskopering för att kunna verifiera dessa beräkningar och för att hitta saker som den mer snäva finita element metoden skulle kunna missa. Finita element metoden och mikroskoperingen ger samma resultat nämligen att det är kolfibret som går sönder först när limfogen belastas till den brister.

Med fortsatt förfining och optimeringen av den finita element metoden som använts kan limning som fästmetod bli mer vanlig. Detta kan sedan leda till att komposit används i större utsträckning för att bygga fordon av alla slag som då kan bli snabbare och mer bränslesnåla.

• author: Nesic, Daniel
• supervisor: Dmytro Orlov
• organization: Materials Engineering
• course: FKMM01 20221
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Adhesive bonding, Shipbuilding, Composite construction, Finite element method in structural mechanics, Fiber reinforced plastics, Optical microscopy analysis, Fractography
• ISBN: LUTFD2/TFMT--22/5067--SE
• language: English
• id: 9102824
• date added to LUP: 2022-12-06 08:16:39
• date last changed: 2022-12-06 08:16:39