ITSA20120008A1 - DEVICE FOR FRACTURE RESISTANCE TESTING FOR WAY III ON GLUED JOINTS - Google Patents
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Description
Dispositivo per prove di resistenza alla frattura in modo III su giunzioni incollate Device for fracture resistance tests in mode III on glued joints
La presente invenzione riguarda un dispositivo per prove di resistenza alla frattura in modo III su giunzioni incollate. The present invention relates to a device for fracture resistance tests in mode III on glued joints.
Più in particolare, l'invenzione concerne un dispositivo per prove di resistenza alla frattura su giunzioni incollate, che sia in grado di selezionare unicamente il modo III, in maniera da non dover ricavare i valori dì resistenza a posteriori dopo aver utilizzato più dispositivi della tecnica nota. More specifically, the invention relates to a device for fracture resistance tests on glued joints, which is able to select only mode III, so as not to have to obtain the resistance values a posteriori after having used several devices of the known technique.
Uno dei maggiori problemi delle giunzioni incollate à ̈ costituito dalla scarsa prevedibilità della loro resistenza rispetto ad altri tipi di giunzione quali ad esempio chiodature, bullonature o saldature. Infatti la resistenza à ̈ fortemente influenzata, oltre che dal comportamento dei materiali che compongono il giunto, anche dalla procedura di incollaggio, dalla temperatura, dall'umidità e da altri fattori solo in parte controllabili. Per questi motivi, prima di utilizzare giunti incollati in applicazioni importanti, si deve sempre condurre una campagna di prove sperimentali volte a caratterizzare il più compiutamente possibile il comportamento della coppia aderendo - adesivo realizzata secondo specifiche predefinite . One of the biggest problems with glued joints is the poor predictability of their strength compared to other types of joints such as riveting, bolting or welding. In fact, the resistance is strongly influenced not only by the behavior of the materials that make up the joint, but also by the bonding procedure, by the temperature, by the humidity and by other factors that can only be partially controlled. For these reasons, before using glued joints in important applications, a campaign of experimental tests must always be carried out in order to characterize the behavior of the couple adhering as fully as possible - adhesive made according to predefined specifications.
L'affidabilità della giunzione à ̈ legata alla conoscenza del comportamento dell'incollaggio nelle diverse condizioni di sollecitazione. La meccanica della frattura lineare elastica (LEFM) fornisce l'insieme di conoscenze teoriche per la valutazione della resistenza alla frattura nelle tre condizioni di carico elementari che, combinate, realizzano tutte le possibili condizioni di carico applicabili a qualsiasi giunzione adesiva comunque sollecitata. I modi elementari di frattura sono tre: apertura (modo I), scorrimento in direzione normale al fronte della frattura (modo II) e scorrimento in direzione parallela al fronte della frattura (modo III). A ciascuno dei modi di frattura elementari à ̈ associato un diverso valore della resistenza meccanica dipendente inoltre dal comportamento sinergico dell'adesivo, degli aderendi e della procedura di incollaggio. È chiara quindi l'importanza di valutazioni affidabili delle suddette resistenze critiche, che nella letteratura specializzata sono solitamente espresse in funzione dei valori critici dell'energy release rate GI, GII, GI. The reliability of the joint is linked to the knowledge of the bonding behavior in the different stress conditions. The mechanics of linear elastic fracture (LEFM) provides the set of theoretical knowledge for the evaluation of the resistance to fracture in the three elementary load conditions which, combined, realize all the possible load conditions applicable to any adhesive joint however stressed. There are three elementary modes of fracture: opening (mode I), sliding in the direction normal to the fracture front (mode II) and sliding in a direction parallel to the fracture front (mode III). A different mechanical strength value is associated with each of the elementary fracture modes, which also depends on the synergistic behavior of the adhesive, the adhesives and the bonding procedure. It is therefore clear the importance of reliable evaluations of the aforementioned critical resistances, which in the specialized literature are usually expressed as a function of the critical values of the energy release rate GI, GII, GI.
Allo scopo di determinare sperimentalmente i valori critici di resistenza alla frattura esistono numerosi standard internazionali [1-6] . Essi sono però riferiti soltanto ai modi di frattura I, II e al modo misto I II. Inoltre sono pubblicati lavori in cui si propongono test in modo misto II III dai quali, con l'ausilio di modelli teorici si può valutare la resistenza al solo modo III di carico [7-9]. A conoscenza degli autori, manca una metodologia, standardizzata o non, per la determinazione sperimentale diretta della resistenza alla frattura di giunzioni incollate in puro modo III di carico. In order to experimentally determine the critical values of fracture strength there are numerous international standards [1-6]. However, they refer only to fracture modes I, II and mixed mode I II. Furthermore, works are published in which tests are proposed in mixed mode II III from which, with the aid of theoretical models, it is possible to evaluate the resistance to loading mode III only [7-9]. To the knowledge of the authors, a methodology, standardized or not, for the direct experimental determination of the fracture resistance of bonded joints in pure mode III of loading is lacking.
Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un dispositivo per la determinazione della resistenza alla frattura di giunzioni incollate, che risolva i problemi e superi gli inconvenienti della tecnica anteriore. The object of the present invention is to provide a device for determining the fracture resistance of glued joints, which solves the problems and overcomes the drawbacks of the prior art.
E’ oggetto della presente invenzione un dispositivo per prove di resistenza alla frattura in modo III su giunzioni incollate, comprendente un provino con un primo ed un secondo supporto incollati su una porzione piana della loro superficie, caratterizzato dal fatto che: The object of the present invention is a device for fracture resistance tests in mode III on glued joints, comprising a specimen with a first and a second support glued on a flat portion of their surface, characterized in that:
- Detto primo supporto e detto secondo supporto hanno una forma comprendente almeno due lati rettilinei paralleli; - Said first support and said second support have a shape comprising at least two parallel rectilinear sides;
— comprende un primo ed un secondo elemento per la movimentazione rotazionale attorno ad un asse comune, includenti rispettivamente una prima rientranza su un primo lato e una seconda rientranza su un secondo lato ciascuna presentanti una forma corrispondente rispettivamente a detto primo supporto e a detto secondo supporto in modo da accoglierli completamente in tutte le loro dimensioni , includes a first and a second element for rotational movement around a common axis, including respectively a first recess on a first side and a second recess on a second side, each having a shape corresponding respectively to said first support and to said second support in order to fully accommodate them in all their dimensions,
detti due elementi per la movimentazione rotazionale essendo sagomati attorno a detto asse comune in modo tale che: said two elements for rotational movement being shaped around said common axis in such a way that:
- risultino traslabili lungo detto asse comune con detto primo e secondo lato affacciati, in modo da racchiudere tra loro allo stesso tempo detto provino, con detto asse comune perpendicolare a detta porzione piana; - are translatable along said common axis with said first and second side facing each other, so as to enclose said specimen with each other at the same time, with said common axis perpendicular to said flat portion;
- possano ruotare uno rispetto all'altro di un predeterminato angolo α attorno a detto asse comune, - can rotate relative to each other by a predetermined angle Î ± about said common axis,
impedendo allo stesso tempo ogni altra differente rotazione e/o traslazione reciproca. at the same time preventing any other different rotation and / or reciprocal translation.
Preferibilmente secondo l'invenzione, detto primo e secondo supporto sono supporti piani e detta porzione piana à ̈ la superficie di un gradino su detto primo e secondo supporto. Preferably according to the invention, said first and second supports are flat supports and said flat portion is the surface of a step on said first and second support.
Preferibilmente secondo l'invenzione, detto primo e secondo supporto sono supporti piani rettangolari, incollati orientandoli in modo perpendicolare. Preferably according to the invention, said first and second supports are rectangular flat supports, glued by orienting them perpendicularly.
Preferibilmente secondo l'invenzione, detto primo e detto secondo elemento sono identici e presentano una porzione superiore ed una porzione inferiore, detta porzione inferiore essendo formata come arco di cerchio, detto primo e detto secondo elemento essendo sovrapponibili con le rispettive parti superiore ed inferiore invertite. Preferably according to the invention, said first and said second element are identical and have an upper portion and a lower portion, said lower portion being formed as an arc of a circle, said first and said second element being superimposable with the respective upper and lower parts inverted. .
Preferibilmente secondo l'invenzione, la porzione superiore di detto primo elemento e la porzione superiore di detto secondo elemento presentano rispettivamente una prima ed una seconda parte di applicazione del carico per indurre detta rotazione, poste in modo eccentrico in modo tale che, in uso, quando detto primo e detto secondo elemento sono sovrapposti, forze opposte applicate su dette prima e seconda parte di applicazione provocano una trazione o una compressione che inducono una rotazione reciproca di detto primo e secondo elemento. Preferably according to the invention, the upper portion of said first element and the upper portion of said second element have respectively a first and a second part for applying the load to induce said rotation, placed in an eccentric way so that, in use, when said first and second element are superimposed, opposing forces applied on said first and second application parts cause a traction or compression which induce a reciprocal rotation of said first and second element.
Preferibilmente secondo l'invenzione, detta parte di applicazione comprende un occhiello. Preferably according to the invention, said application part comprises an eyelet.
Preferibilmente secondo l'invenzione, detto primo e detto secondo elemento presentano una feritoia passante in corrispondenza di detta prima e seconda rientranza, per permettere, in uso, la visione del provino . Preferably according to the invention, said first and said second element have a through slot in correspondence of said first and second recess, to allow, in use, the vision of the specimen.
Preferibilmente secondo l'invenzione, detto primo e detto secondo elemento sono in acciaio. Preferably according to the invention, said first and said second element are made of steel.
E' ulteriore oggetto specifico della presente invenzione un apparato per prove di resistenza alla frattura in modo III su giunzioni incollate, comprendente un dispositivo per prove di resistenza e mezzi di applicazione di una sollecitazione su detto dispositivo per prove di resistenza, caratterizzato dal fatto che detto dispositivo per prove di resistenza à ̈ il dispositivo oggetto dell'invenzione. A further specific object of the present invention is an apparatus for fracture resistance tests in mode III on glued joints, comprising a device for resistance tests and means for applying a stress on said device for resistance tests, characterized in that said resistance test device is the device object of the invention.
L'invenzione verrà ora descritta a titolo illustrativo ma non limitativo, con particolare riferimento ai disegni delle figure allegate, in cui: The invention will now be described for illustrative but not limitative purposes, with particular reference to the drawings of the attached figures, in which:
— la figura 1 mostra la distribuzione teorica dello spostamento tangenziale tra le superfici incollate e della tensione tangenziale nel piano di frattura, secondo le conoscenze note; â € ”figure 1 shows the theoretical distribution of the tangential displacement between the bonded surfaces and of the tangential stress in the fracture plane, according to known knowledge;
la figura 2 mostra l'assemblaggio del provino secondo una forma di realizzazione della presente invenzione ; Figure 2 shows the assembly of the specimen according to an embodiment of the present invention;
— la figura 3 mostra tre viste laterale interna (a), di profilo (b) e laterale esterna (c) di un componente del dispositivo di prova, secondo una forma di realizzazione dell'invenzione; figure 3 shows three internal side (a), profile (b) and external side (c) views of a component of the test device, according to an embodiment of the invention;
— la figura 4 mostra il dispositivo secondo una forma preferita di realizzazione della presente invenzione ; figure 4 shows the device according to a preferred embodiment of the present invention;
— la figura 5 mostra uno schema di assemblaggio del dispositivo e del provino secondo una forma realizzativa dell'invenzione; figure 5 shows an assembly diagram of the device and the specimen according to an embodiment of the invention;
— la figura 6 mostra uno schema della distribuzione delle forze su un componente del dispositivo secondo l'invenzione. Figure 6 shows a diagram of the distribution of forces on a component of the device according to the invention.
La presente invenzione ha per oggetto un dispositivo di prova che consente di determinare la resistenza alla frattura di giunzioni adesive soggette ad una sollecitazione di puro modo III utilizzando, per applicare il carico, una macchina standard per prove di trazione - compressione. The present invention relates to a test device which allows to determine the fracture strength of adhesive joints subjected to a pure mode III stress using, to apply the load, a standard machine for tensile - compression tests.
Il modo migliore per realizzare una sollecitazione di puro modo III Ã ̈ applicare un carico di torsione ad una giunzione a simmetria polare su cui sia presente una cricca anch'essa a simmetria polare (fig. 1). The best way to realize a pure mode III stress is to apply a torsional load to a polar symmetry joint on which there is a crack also polar symmetry (fig. 1).
La figura 1 mostra questa situazione secondo le conoscenze note. Nella figura 1(a) si osserva la tensione tangenziale sul provino, più precisamente sui supporti esterni (le righe tangenziali sono indicative dell'intensità , che ovviamente à ̈ nulla al centro del provino; la circonferenza tratteggiata indica l'estensione della colla interna al provino). Nella figura 1 (b) si mostra una sezione al centro dello strato di colla (secondo il piano individuato da A-A). La circonferenza interna indica l'estensione della colla sui due supporti del provino ed à ̈ chiaro che in questo caso gli sforzi tangenziali hanno una singolarità al confine della colla. Figure 1 shows this situation according to known knowledge. Figure 1 (a) shows the tangential tension on the specimen, more precisely on the external supports (the tangential lines are indicative of the intensity, which obviously is zero in the center of the specimen; the dashed circumference indicates the extension of the glue inside the specimen audition). Figure 1 (b) shows a section in the center of the glue layer (according to the plane identified by A-A). The internal circumference indicates the extension of the glue on the two supports of the specimen and it is clear that in this case the tangential stresses have a singularity at the boundary of the glue.
In tal modo, infatti, il carico sull'interfaccia adesivo - che ha direzione tangenziale - à ̈ certamente ortogonale in ogni punto al fronte di cricca, che à ̈ a sua volta descritto da una circonferenza. Inoltre, essendo il carico applicato mediante la rotazione relativa di due pezzi rigidi, la tensione tangenziale applicata all'adesivo, per un dato angolo di rotazione, à ̈ minore in punti più vicini al centro; tale circostanza rende stabile la propagazione di una cricca con fronte circolare se la giunzione à ̈ caricata mediante rotazione relativa imposta. In this way, in fact, the load on the adhesive interface - which has a tangential direction - is certainly orthogonal in every point to the crack front, which is in turn described by a circumference. Furthermore, since the load is applied by the relative rotation of two rigid pieces, the tangential tension applied to the adhesive, for a given angle of rotation, is lower in points closer to the center; this circumstance makes the propagation of a crack with a circular front stable if the junction is loaded by relative rotation imposed.
Facendo ora riferimento alla figura 2, il provino 100 secondo una forma realizzativa dell'invenzione, per il test di modo III, à ̈ costituito da due barrette 10,20 a forma di parallelepipedo, fatte dello stesso materiale dell'aderendo da testare, dotate di uno scalino circolare 60. Le barrette 10,20 sono incollate l'una all'altra in corrispondenza dello scalino 60. La cricca iniziale à ̈ realizzata interponendo tra le superfìci aderende un foglio 30 in teflon con foro circolare 50 di diametro opportuno. Il centraggio dei tre componenti à ̈ effettuato con l'ausilio di una coppia di spine 40, che poi vengono rimosse dopo l'incollaggio e prima dell'esecuzione della prova. Referring now to Figure 2, the specimen 100 according to an embodiment of the invention, for the test of mode III, consists of two parallelepiped-shaped bars 10, 20, made of the same material as the adherent to be tested, equipped of a circular step 60. The bars 10, 20 are glued to each other in correspondence with the step 60. The initial crack is made by interposing between the adhering surfaces a Teflon sheet 30 with a circular hole 50 of suitable diameter . The centering of the three components is carried out with the aid of a pair of pins 40, which are then removed after gluing and before carrying out the test.
Facendo riferimento alle figure da 3 a 5, l'apparecchiatura di prova secondo l'invenzione à ̈ costituita da due componenti identici 200 e 300, preferibilmente in acciaio, che operano accoppiati in modo che moti relativi possibili siano solo due: la rotazione e la traslazione relativa in direzione assiale. Sono invece impedite le traslazioni nel piano dell'interfaccia tra i due componenti 200 e 300 e le altre rotazioni. With reference to Figures 3 to 5, the test apparatus according to the invention consists of two identical components 200 and 300, preferably in steel, which operate coupled so that only two relative motions are possible: rotation and relative translation in the axial direction. On the other hand, translations in the plane of the interface between the two components 200 and 300 and the other rotations are prevented.
Le figure 3-5 mostrano una forma realizzativa particolare, che non à ̈ essenziale, il dispositivo dovendo impedire solamente i movimenti suddetti. Figures 3-5 show a particular embodiment, which is not essential, the device having to prevent only the aforementioned movements.
Uno degli elementi, ad esempio 300, presenta una porzione superiore 350 ed una porzione inferiore 330, quest' ultima formata come arco di corona circolare. La porzione superiore comunque presenta un vano interno circolare che si raccorda al vano interno circolare della porzione inferiore 330. La porzione superiore 350 presenta una parte 340 di applicazione della trazione, comprendente vantaggiosamente un occhiello. One of the elements, for example 300, has an upper portion 350 and a lower portion 330, the latter formed as an arc of a circular crown. The upper portion, however, has a circular internal space which is connected to the circular internal space of the lower portion 330. The upper portion 350 has a traction application part 340, advantageously comprising an eyelet.
Questi due elementi 200,300 sono identici e sono conformati in modo tale da essere sovrapposti in posizione reciprocamente invertita. L'accoppiamento concentrico delle superfici interna ed esterna dei due elementi fanno sì che un elemento possa ruotare rispetto all'altro per un angolo costruttivamente predeterminato a (non indicato in figura). These two elements 200,300 are identical and are shaped in such a way as to be superimposed in a mutually inverted position. The concentric coupling of the internal and external surfaces of the two elements means that one element can rotate with respect to the other for a constructively predetermined angle a (not shown in the figure).
Convenientemente, gli elementi 200, 300 sono forati al centro con feritoie 220,320 per permettere la visione del provino. Conveniently, the elements 200, 300 are perforated in the center with slits 220, 320 to allow viewing of the specimen.
Facendo riferimento alla figura 5, il provino 100 assemblato viene posto tra i due elementi 200 e 300 in modo che ognuna delle barrette 10,20 sia posizionata nella rispettiva rientranza centrale 210,310 e sia libera di scorrere in direzione diametrale (rispetto alla circonferenza ideale includente la porzione di circonferenza 230,330) . With reference to Figure 5, the assembled specimen 100 is placed between the two elements 200 and 300 so that each of the bars 10,20 is positioned in the respective central recess 210,310 and is free to slide in the diametrical direction (with respect to the ideal circumference including the portion of circumference 230,330).
Il provino qui illustrato à ̈ formato da due barrette rettangolari 10,20 incollate in modo perpendicolare. Tuttavia questa à ̈ solo una semplice e conveniente forma realizzativa. Il provino può essere fatto in ogni modo utile e corrispondente alla rientranza centrale 210,310. L'importante à ̈ che ciascuna delle due barrette 10,20 presenti almeno due lati rettilinei e paralleli, in modo che non possa ruotare una volta inserito nella suddetta rientranza. Chiaramente anche la rientranza dovrà avere forma corrispondente . The specimen illustrated here is made up of two rectangular 10,20 bars glued perpendicularly. However this is only a simple and convenient embodiment. The specimen can be made in any useful way and corresponding to the central recess 210,310. The important thing is that each of the two bars 10,20 has at least two straight and parallel sides, so that it cannot rotate once inserted in the aforementioned recess. Clearly, the recess must also have a corresponding shape.
Il funzionamento della prova à ̈ determinato dalla rotazione relativa tra gli elementi. Lo spostamento assiale che genera la condizione di carico in modo III à ̈ realizzato da una macchina per prove standard, alla quale il dispositivo à ̈ montato tramite una coppia di afferraggi a forchetta (Clevis grip). The functioning of the test is determined by the relative rotation between the elements. The axial displacement that generates the load condition in mode III is carried out by a standard testing machine, to which the device is mounted by means of a pair of fork grips (Clevis grip).
La condizione di carico di puro modo III Ã ̈ garantita da due condizioni cinematiche: The pure mode III load condition is guaranteed by two kinematic conditions:
1) il provino non à ̈ sottoposto ad alcuno sforzo assiale, poiché à ̈ soltanto appoggiato sui fondi dei dispositivi di prova; il modo I di sollecitazione à ̈ quindi nullo; 1) the specimen is not subjected to any axial stress, as it is only supported on the bottoms of the test devices; the solicitation mode I is therefore null;
2) il provino, che può scorrere nei suoi alloggi, non à ̈ in grado di trasferire alcuna forza di taglio tra i due elementi del dispositivo; pertanto, la sollecitazione di modo II à ̈ assente, 2) the specimen, which can slide in its housing, is unable to transfer any shear force between the two elements of the device; therefore, mode II solicitation is absent,
In figura 6 si mostra come la forza di compressione esercitata dalla macchina di prova {sulle parti 240,340 delle figure), contrastata eccentricamente dal secondo elemento del dispositivo, generi una azione puramente torcente sulla barretta di prova. Il dispositivo può funzionare anche applicando un carico di trazione. Figure 6 shows how the compression force exerted by the testing machine (on parts 240,340 of the figures), contrasted eccentrically by the second element of the device, generates a purely twisting action on the test rod. The device can also work by applying a tensile load.
Le feritoie 220,320 realizzate su entrambi gli elementi dell'attrezzatura permettono di rendere visibile le parti esterne del provino dove sono collocati i due fori di centraggio. In tal modo nel corso della prova à ̈ permessa la misurazione diretta della rotazione relativa tra le due barre a mezzo degli spostamenti tra i fori di centraggio inizialmente concentrici o mediante inclinometri; tale accorgimento permette di eliminare le imprecisioni di misura degli spostamenti dovute alla cedevolezza della catena di carico. Inoltre, le feritoie permettono anche di visualizzare il processo di frattura se si utilizzano provini in materiale aderendo trasparente. The slots 220,320 made on both elements of the equipment make it possible to make visible the external parts of the specimen where the two centering holes are located. In this way, during the test, the direct measurement of the relative rotation between the two bars is allowed by means of the displacements between the initially concentric centering holes or by means of inclinometers; this expedient allows to eliminate the inaccuracies of measurement of the displacements due to the compliance of the load chain. In addition, the slots also allow visualization of the fracture process if specimens made of transparent adhering material are used.
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In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state suggerite delle varianti della presente invenzione, ma à ̈ da intendersi che gli esperti del ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti senza con ciò uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate. In the foregoing, the preferred embodiments have been described and variants of the present invention have been suggested, but it is to be understood that those skilled in the art will be able to make modifications and changes without thereby departing from the relative scope of protection, as defined by claims attached.
Claims (6)
Priority Applications (1)
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| IT000008A ITSA20120008A1 (en) | 2012-05-16 | 2012-05-16 | DEVICE FOR FRACTURE RESISTANCE TESTING FOR WAY III ON GLUED JOINTS |
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ID=46466746
Family Applications (1)
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