Analysis of Adhesively Bonded Composite Aerospace Structures Developed by Laser Surface Treatment

Abstract

Among the various joining techniques, adhesive bonding is a feasible alternative to mechanical fasteners to prevent incisions and discontinuity on aerospace structures. The performance of the bonded structures highly depends on the adhesion strength, which is directly related to the condition of the bonding surface. It is for this that laser surface treatment, a recently developing technique to improve bonding performance, has become suited for CFRP structures. Yet, predicting the failure strength and mechanism is vital for designing primary aircraft structures involving adhesively bonded composite structures. The scope of this paper consists of the validation and evaluation of adhesive bonding behavior in the case of joining between laser surface-treated CFRP structures, in particular, components of an aircraft wing box. To this end, both the experiment and numerical investigations of the secondary bonded coupons were examined. This study, in other words, includes experimentally revealing the bonding behavior through coupon and element-level mechanical test setups, as well as the simulation of those structures in the computer environment by performing FEA to predict the failure load and damage growth. In this regard, besides observing the effects of the laser surface treatment on the pure and mix-mode behaviors by means of the DCB, ENF, SLJ, and SSJ tests, identical specimens were numerically analyzed by utilizing macro-scale 2D and 3D models, employing the CZM technique. Meanwhile, a novel characterization study and the resulting TSL parameter identification method were achieved for an accurate numerical analysis. Eventually, in addition to the application methodology, the capabilities and appropriateness of the presented FEA method were discussed, comparing experimental and numerical results.

Çeşitli birleştirme teknikleri arasından yapıştırıcı ile birleştirme, havacılık yapıları üzerindeki çentikleri ve süreksizliği önlemesi nedeniyle mekanik bağlantı elemanlarına karşı uygun bir alternatiftir. Yapıştırma bağlantı yapıların performansı yapıştırılan yüzeyin durumuyla doğrudan ilişkilidir. Bu nedenle, yapışma bağlantı performansını iyileştirmek için son zamanlarda geliştirilen yeni bir yöntem olan lazer yüzey işleme tekniği CFRP yapılar için uygun hale gelmiştir. Fakat, kırılma mukavemetini ve mekanizmasını tahmin etmek, yapıştırıcıyla birleştirilmiş kompozit yapılar içeren uçak yapılarının tasarımı için hayati önem taşımaktadır. Bu tezin kapsamı, lazer yüzey işlemli uygulanmış CFRP yapıların, özellikle uçak kanat bileşenlerinin arasındaki yapışma bağlantı davranışının değerlendirilmesi ve doğrulanmasından oluşmaktadır. Bu amaçla, ikincil birleştirme yöntemi ile üretilmiş test kuponlarının hem deneysel hem de sayısal incelemeleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma, kupon ve eleman düzeyinde mekanik test düzenekleri ile yapışma davranışının deneysel olarak ortaya konulmasının yanı sıra, bu yapıların sonlu elemanlar analizi sayesinde bilgisayar ortamında simüle edilmesi sonucunda hasar yükünün ve büyümesinin tahmin edilmesini içermektedir. Bu bağlamda, DCB, ENF, SLJ ve SSJ testleri ile lazer yüzey işleminin sade ve karışık mod davranışlar üzerindeki etkilerinin gözlemlenmesinin yanında, makro ölçekte 2D ve 3D modeller kullanılarak ve CZM tekniği sayesinde mekanik testlere özdeş geometriler sayısal olarak analiz edilmiştir. Bu esnada, yenilikçi bir karakterizasyon çalışması ve ortaya konulan TSL parametre tanımlama yöntemi sayesinde sayısal analiz başarılı bir şekilde beslenmiştir. Sonuç olarak, uygulama metodolojisine ek olarak, deneysel ve sayısal sonuçların karşılaştırılması ile uygulanan sonlu elemanlar yönteminin yetenekleri ve uygunluğu tartışılmıştır.