Numerical investigation of the effect of different design parameters on the stress distribution in the adhesive layer in pipe bonding joints

Abstract

The use of adhesive joints as a method of connection is increasing due to the significant advantages it provides in many engineering fields. In this study, the effect of the variation of lap length, pipe wall thickness and adhesive thickness on the stress distribution in the adhesive layer was numerically investigated. As a result, it has been shown that overlap length, pipe wall thickness and adhesive thickness are very important design parameters in pipe bonding joints. With the increase of lap length from 10 mm to 20 mm, the maximum equivalent stress value in the adhesive layer lap ends decreased by 25%. However, when the overlap length increased from 20 mm to 30 mm and from 30 mm to 40 mm, the reduction was 4% and 0.6%, respectively. As the pipe wall thickness increased from 0.5 mm to 1 mm, the maximum equivalent stress value in the adhesive layer lap ends decreased by 18.8%. On the other hand, the stresses around the A and B points were close to each other at 1, 1.5 and 2 mm pipe wall thickness. With the increase in adhesive thickness, the stresses on the adhesive layer lap ends decreased. However, the maximum τyz shear stress and maximum equivalent stress values in the adhesive layer occurred approximately 1 mm inside the lap ends.

Keywords

• Pipe bonding joint
• Finite element analysis
• Stress analysis

BORU YAPIŞTIRMA BAĞLANTILARINDA FARKLI TASARIM PARAMETRELERİNİN YAPIŞTIRICI TABAKASINDA GERİLME DAĞILIMINA ETKİSİNİN SAYISAL OLARAK ARAŞTIRILMASI

Abstract

Bir bağlantı yöntemi olarak yapıştırma bağlantılarının mühendislik alanında kullanımı sağladığı önemli avantajlardan dolayı giderek artmaktadır. Yapılan çalışmada, boru yapıştırma bağlantılarında bindirme uzunluğu, boru et kalınlığı ve yapıştırıcı kalınlığı değişiminin yapıştırıcı tabakasında oluşan gerilme dağılımına etkisi sayısal olarak araştırılmıştır. Yapılan çalışma sonucunda, bindirme uzunluğu, boru et kalınlığı ve yapıştırıcı kalınlığının boru yapıştırma bağlantılarında oldukça önemli tasarım parametreleri olduğu gösterilmiştir. Bindirme uzunluğunun 10 mm’den 20 mm’ye çıkmasıyla, yapıştırıcı tabakası bindirme uç kısımlarındaki maksimum eşdeğer gerilme değeri % 25 oranında azalmıştır. Ancak bindirme uzunluğu 20 mm’den 30 mm’ye ve 30 mm’den 40 mm’ye çıktığında azalma miktarları sırasıyla % 4 ve % 0,6 oranlarında gerçekleşmiştir. Boru et kalınlığı değerinin 0,5 mm’den 1 mm’ye çıkmasıyla yapıştırıcı tabakası bindirme uç kısımlarındaki maksimum eşdeğer gerilme değeri % 18,8 oranında azalmıştır. Buna karşın, 1, 1,5 ve 2 mm boru et kalınlıklarında A ve B noktaları civarındaki gerilmeler birbirine yakın çıkmıştır. Yapıştırıcı kalınlığının artması ile yapıştırıcı tabakası bindirme uçlarındaki gerilmeler azalmıştır. Fakat yapıştırıcı tabakasındaki, maksimum τyz kayma gerilmesi ve maksimum eşdeğer gerilme değerleri bindirme uçlarından yaklaşık 1 mm iç taraflarda oluşmuştur.

Keywords

• Boru yapıştırma bağlantısı
• Sonlu elemanlar analizi
• Gerilme analizi

References

1. Şekercioğlu, T. (2018) Makine Elemanları Hesap Şekillendirme, Birsen yayın evi, İstanbul.
2. Solmaz, M.Y. (2008) Yapıştırıcı ile birleştirilmiş bağlantıların mekanik analiz ve tasarımları, Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ.
3. Temiz, Ş., Özel, A. ve Aydın, M.D. (2005) The effect of adherend thickness on the failure of adhesively bonded single lap joints, J Adhes Sci Technol, 19(8), 705-718. doi.org/10.1163/1568561054890499
4. Solmaz, M.Y. ve Turgut A. (2011) An experimental and numerical study on the effects of taper angles and overlap length on the failure and stress distribution of adhesively bonded single lap joints, Math Comput Appl, 16, 159-170. doi.org/10.3390/mca16010159
5. Çalık, A. (2016) Effect of adherend shape on stress concentration reduction of adhesively bonded single lap joint, Engineering Review, 36, 29-34. https://hrcak.srce.hr/151838
6. Pinto, A.M.G., Ribeiro, N.F.Q.R., Campilho, R.S.D.G. ve Mendes, I.R. (2014) Effect of Adherend Recessing on the Tensile Strength of Single Lap Joints, The Journal of Adhesion, 90, 649-666. doi.org/10.1080/00218464.2013.766132
7. Çalık, A. ve Yıldırım, S. (2017) Effect of adherend recessing on bi-adhesively bonded single-lap joints with spew fillet, Sadhana, 42, 317–325. DOI 10.1007/s12046-017-0603-2
8. Saraç, İ., Adin, H. Ve Temiz, Ş. (2018) Experimental determination of the static and fatigue strength of the adhesive joints bonded by epoxy adhesive including different particles, Composites Part B: Engineering,155, 92-103. doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.08.006

9. Saraç, İ., Adin H. Ve Temiz, Ş. (2019) Investigation of the effect of use of Nano-Al2O3, Nano-TiO2 and Nano-SiO2 powders on strength of single lap joints bonded with epoxy adhesive, Composites Part B: Engineering, 166, 472-482. doi.org/10.1016/j.compositesb.2019.02.007
10. Eusebio, S.M.L. Ve Campilho, R.D.S.G. (2019) Modelling of tubular adhesively bonded joints by the Extended Finite Element Method, Procedia Manufacturing, 41, 484-491. doi.org/10.1016/j.promfg.2019.10.001
11. Nguyen, V. ve Kedward, T. (2001) Non-linear modeling of tubular adhesive scarf joints loaded in tension, The Journal of Adhesion, 76(3), 265-295. doi.org/10.1080/00218460108029629
12. Şekercioğlu, T., Rende, H., Gülsöz, A. ve Meran, C. (2003) The effects of surface roughness on the strength of adhesively bonded cylindrical components, Journal of Materials Processing Technology, 142, 82–86. doi.org/10.1016/S0924-0136(03)00463-1
13. Pungo, N. Ve Carpinteri, A. (2003) Tubular adhesive joints under axial load, Journal of Applied Mechanics, 76(6), 832-839. doi.org/10.1115/1.1604835
14. Nemes, O., Lachaud, F. Ve Mojtabi, A. (2006) Contribution to the study of cylindrical adhesive joining, International Journal of Adhesion & Adhesives, 26, 474-480. doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2005.07.009
15. Zou, G.P. ve Taheri F. (2006) Stress analysis of adhesively bonded sandwich pipe joints subjected to torsional loading, International Journal of Solids and Structures, 43(20), 5953-5968. doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2006.05.035
16. Esmaeel, R.A. ve Taheri, F. (2009) Stress analysis of tubular adhesive joints with delaminated adherend, Journal of Adhesion Science and Technology, 23, 1827-1844. doi.org/10.1163/016942409X12459095670511
17. Lyon, P.E. (2010) Axisymmetric finite element modeling for the design and analysis of cylindrical adhesive joints based on dimensional stability, Master of Science, Utah State University, Utah.
18. Kumar, S. ve Khan, M.A. (2016) An elastic solution for adhesive stresses in multi-material cylindrical joints, International Journal of Adhesion & Adhesives, 64, 142-152. doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2015.10.009
19. Aimmanee, S. ve Hongpimolmas P. (2017) Stress analysis of adhesive-bonded tubular-coupler joints with optimum variable-stiffness composite adherend under torsion, Composite Structures, 164, 76-89. doi.org/10.1016/j.compstruct.2016.12.043
20. Noda, N.A., Ren, F., Takaki, R., Wang, Z., Oda, K., Miyazaki, T. ve Sano Y. (2018) Intensity of singular stress field over the entire bond line thickness range useful for evaluating the adhesive strength for plate and cylinder butt joints, International Journal of Adhesion and Adhesives, 85, 234-250. doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2018.05.013
21. Albiez, M., Vallée, T., Fricke, H. ve Ummenhofer, T. (2019)Adhesively bonded steel tubes Part I: Experimental investigations, International Journal of Adhesion and Adhesives, 90, 199-210. doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2018.02.005
22. Lavalette, N.P, Bergsma, O.K., Zarouchas, D. ve Benedictus R. (2020) Influence of geometrical parameters on the strength of Hybrid CFRP-aluminium tubular adhesive joints, Composite Structures, 240, 112077. doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.112077
23. Kossakowski, P.G. ve Wcislik W. (2018) Numerical simulation of material damage for structural steels S235JR and S355J2G3, Advances in Computational Design, 3(2), 133-146. doi.org/10.12989/acd.2018.3.2.133
24. Özel, A., Yazıcı, B., Akpınar, S., Aydin, M.D. ve Temiz Ş. (2014) A study on the strength of adhesively bonded joints with different adherends, Composites Part B, 62, 167-174. doi.org/10.1016/j.compositesb.2014.03.001
25. Akpınar, S. (2014) The strength of the adhesively bonded step-lap joints for different step numbers, Composites Part B, 67, 170-178. doi.org/10.1016/j.compositesb.2014.06.023
26. Malag, L. ve Kukielka L. (2007) Hybrid method to determinate the states of deformation and stress in material during the tensile test, Proc. Appl. Math. Mech., 7, 2090025–2090026. DOI 10.1002/pamm.200701099
27. ANSYS eleman tipleri. Erişim Adresi: https://ansyshelp.ansys.com (Erişim tarihi: 17.01.2020)