Static and dynamic analysis of structural adhesion bond in AISI 1040 steel

Abstract

This study aims to examine the adhesion properties of brackets used as ladder fasteners on the inner surfaces of wind turbine towers. For this purpose, samples were prepared by combining AISI 1040 steel parts with an acrylic-type structural adhesive. Static (shear and bending) and dynamic (fatigue) mechanical properties of adhesive joints were determined. To perform fatigue tests, changes were made to the design of an existing spring fatigue device. Design verification studies of the device and analysis of mechanical test results were carried out with the help of modeling and analysis programs. In dynamic analysis, it was found that the safety factors in two critical parts of the device (connecting rod and main part) were suitable for the design requirements. As a result of static and dynamic tests, cohesion-type homogeneous separation was observed in the samples with flawless adhesion. It has been observed that the adhesive bond has an infinite life at variable stresses up to 50% of the static equivalent stress value and stresses below it.

Keywords

• Structural adhesive
• AISI 1040
• static and dynamic analysis
• fatigue device

AISI 1040 Çeliğinde yapısal yapışma bağı dayanımının statik ve dinamik zorlama şartları altında incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada; rüzgar türbin kulelerinin iç yüzeylerinde merdiven bağlantı elemanı olarak kullanılan braketlerin adezyon özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bunun için AISI 1040 çeliği parçalar akrilik tipi yapısal bir yapıştırıcı ile birleştirilerek numuneler hazırlanmıştır. Yapışma bağlantılarının statik (kayma ve eğilme) ve dinamik (yorulma) mekanik özellikleri belirlenmiştir. Yorulma deneylerinin gerçekleştirilebilmesi için mevcut bir yay yorulma cihazının tasarımında değişiklikler yapılmıştır. Modelleme ve analiz programları yardımıyla cihazın tasarım doğrulama çalışmaları ve mekanik deney sonuçlarının analizleri yapılmıştır. Dinamik analizlerde cihazın iki kritik parçasında (biyel kolu ve ana parça) güvenlik faktörlerinin tasarım gereksinimleri için uygun olduğu görülmüştür. Statik ve dinamik deneyler sonucunda hatasız yapışma gerçekleşen numunelerde kohezyon tipi homojen ayrılma gözlenmiştir. Statik eşdeğer gerilme değerinin %50’si kadar değişken gerilme ve altındaki gerilmelerde yapışma bağının sonsuz ömre sahip olduğu görülmüştür.

Keywords

• yapısal yapıştırıcı
• AISI 1040
• statik ve dinamik analiz
• yorulma cihazı

References

1. EAA Aluminium Automotive Manual – Joining, 9. Adhesive bonding, Version 2015, European Aluminium Association.
2. Adhesives Technology Handbook, Second Edition, edit. Sina Ebnesajjad, William Andrew Press, USA, (2008).
3. Song J.H. ve Lim, J. K., Bonding strength in structural adhesive bonded joint, Metals And Materıals International, 7, 5, 467-470, (2001).
4. Wilhelmsson S. ve Ågren J., Evaluation of the mechanical properties of structural adhesives cured under different environmental conditions, Yüksek Lisans Tezi, Makine mühendisliği - Ürün geliştirme TGMAI18h programı, (2021).
5. Gonzalez, C. E.C., Mora, R. P., Gutierrez, S. D. S., Taha-Tijerina, J. J., Arista, B. V. ve Pingarron, A. B., Fatigue strength evaluation and fracture behavior of joined dual phase steel/AA6061-T6 aluminum alloy, Frattura ed Integrità Strutturale, 48, 530-544, (2019). Doi: 10.3221/IGF-ESIS.48.51.
6. Barbosa, N.G.C., Campilho, R.D.S.G., Silva, F.J.G., Comparison of different adhesively-bonded joint types for mechanical structures, Applied Adhesives Science, 6, 15, (2018). https://doi.org/10.1186/s40563-018-0116.
7. Abdel Wahab, M. M., Fatigue in adhesively bonded joints: A review, International Scholarly Research Network (ISRN) Materials Science, Article ID 746308, 25 pages, (2012). Doi:10.5402/2012/746308.
8. Campos, A.A.M.A., de Jesus, A.M.P., Correia, J.A.F.O. ve Morais, J.J.L., Fatigue crack growth behavior of bonded aluminum joints, Procedia Engineering 160, 270-277, (2016).

9. EUROCODE 3: Çelik Yapıların Tasarımı- BÖLÜM 1-9: Genel Kurallar-Yorulma (TS-EN 1993-1-9), Ankara: Türk Standartları Enstitüsü, 2005.
10. Gönen, D., Oral, A. ve Cakır, M. C., Investigating the benefits of using circular die springs instead of rectangular die springs, Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structure, 38, 799–812, (2015). Doi: 10.1111/ffe.12269.
11. Kalite Belgesi, HASÇELIK SAN. VE TIC. A.Ş., 2020.
12. ISO 9664, Adhesives - Test methods for fatigue properties of structural adhesives in tensile shear, Switzerland-Geneve Patent, (1993).