Study of the effects of deformation rate and adhesive layer thickness under impact loading on parameters of adhesive joints in a vehicle

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

BACKGROUND: At the present time, new technologies of joints – adhesive joints – are used more and more widely along with spot welding in domestic and foreign vehicles. Study of the joint strength and the influence of deformation rate and the adhesive layer thickness under impact loading on the parameters of the joint in a vehicle is a relevant technical task.

AIMS: Study of the influence of deformation rate and the adhesive layer thickness on the adhesive joint parameters (strength, deformation, etc.) under impact loading as well as evaluation of the efficiency of the proposed modified calibration method for the adhesive layer model on the example of tubular structure, which is often used in the strength elements of a vehicle.

METHODS: Experimental studies were carried out with impact loading at the speed of 6.66 m/s (the axial im-pact) and 6.87 m/s (the side impact) with the mass of 22.3 kg. Simulation of operating conditions was performed in the LS-Dyna software that made possible to study the stress-strain states (SSS) of adhesive-bonded tubular structures and to estimate the simulation error.

RESULTS: Based on experimental and calculated results, the length of the adhesive layer failure under the impact loading in the steel structures bonded with the Henkel EP 5055 adhesive is shorter in the joints with the 0.5 mm thick adhesive layer than in the joints with the 1 mm thick adhesive layer. The total deformation of the bonded structure at the side impact loading for the 1 mm thick adhesive layer is less than for the 0.5 mm thick layer, as the adhesive layer absorbs some of the energy. For the axial impact loading, the differences are insignificant. Errors of adhesive joint simulation under impact loading have been reduced significantly (by 15%) with using the proposed modified method of calibrating the adhesive layer properties considering the influence of the deformation rate and the adhesive layer thickness in the finite element model.

CONCLUSIONS: The practical value of the study lies in the proposed modified model, considering the influence of the deformation rate and the adhesive layer thickness under impact loading on the joint parameters and making possible to improve simulation accuracy, as well as in recommendations for the best value of adhesive joint properties in adhesive-bonded vehicle structures.

About the authors

Yi Liu

Bauman Moscow State Technical University

Email: liuyi941003@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-2615-6826
SPIN-code: 3301-3941

graduate student of the Wheeled Vehicles Department

Russian Federation, 5 2nd Baumanskaya avenue, 105005, Moscow

Roman B. Goncharov

Bauman Moscow State Technical University

Email: rbgoncharic@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4805-967X
SPIN-code: 1180-9530
Scopus Author ID: 816252

Associate Professor of the Wheeled Vehicles Department

Russian Federation, 5 2nd Baumanskaya avenue, 105005, Moscow

Valery N. Zuzov

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: zuzvalery@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0003-1512-9299
SPIN-code: 1419-7851
Scopus Author ID: 201799

Dr. Sci. (Tech.), Professor of the Wheeled Vehicles Department

Russian Federation, 5 2nd Baumanskaya avenue, 105005, Moscow

References

  1. Smirnova MI. Collection of technical specifications for adhesive materials. Ed. by D.A. Kardashov. Leningrad: Khimiya; 1975. 463 p. (In Russ).
  2. Fays S. Adhesive bonding technology in the automotive industry. Adhesion and Interface. 2003;4(2):37–48.
  3. Da Silva LF, Rodrigues TN, De Figueiredo MA, De Moura MF. Effect of adhesive type and thickness on the lap shear strength. The Journal of Adhesion. 2006;82(11):1091–1115. doi: 10.1080/00218460600948511
  4. Makhecha DP, Kapania RK, Johnson ER, Dillard DA. Dynamic fracture analysis of adhesively bonded joints using explicit methods. AIAA Journal. 2007;45(11):2778–2784. doi: 10.2514/1.26088
  5. Xin Y. Study of modeling techniques of weld-bonded joints under impact loading [dissertation]. Tsinghua University; 2010.
  6. Carlberger T, Biel A, Stigh U. Influence of temperature and strain rate on cohesive properties of a structural epoxy adhesive. International Journal of Fracture. 2009;155(2):155–166. doi: 10.1007/s10704-009-9337-4
  7. GOST R ISO 11003-2-2017. National Standard of the Russian Federation. Adhesives. Determination of shear behaviour of structural adhesives. Part 2. Tensile test method for metallic standards with the use of thick adherends. (In Russ). Available from: https://docs.cntd.ru/document/556309663 Accessed: 15.12.2022.
  8. GOST 9550-81. Interstate standard. Plastics. Methods for determination of elasticity modulus at strength, compression and bending. (In Russ). Available from: https://docs.cntd.ru/document/1200020731 Accessed: 15.12.2022.
  9. DIN EN ISO 11343-2019. International (foreign) standard. Adhesives. Determination of dynamic resistance to cleavage of high-strength adhesive bonds under impact wedge conditions. Wedge impact method (ISO 11343:2019); German version EN ISO 11343:2019. Available from: https://docs.cntd.ru/document/563882968 Accessed: 15.12.2022.
  10. Liu I, Zuzov VN. Numerical modeling of an adhesive joint in automotive structures under quasi-static loading using an improved model of its properties. Transactions of Nizhni Novgorod state technical university n.a. R.Y. Alexeev. 2022;(3):84–97. doi: 10.46960/1816-210X_2022_3_84
  11. Liu I, Zuzov VN. Modeling of adhesive bonding in automotive structures under dynamic and shock loading using modification of material properties. In: The Future of mechanical Engineering of Russia: Collection of reports of the Fourteenth All-Russian Conference of Young Scientists and Specialists, September 21–24, 2021. Vol. 2. Moscow; 2022. Р. 117–127.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 3 Sample shape for experiments

Download (58KB)
Indexing metadata
3. Fig. 6 Location of points for measuring the deformation of the structure

Download (33KB)
Indexing metadata
4. Fig. 1. The graph of destructive force vs. adhesive layer thickness under quasi-static loading.

Download (98KB)
Indexing metadata
5. Fig. 2. Schematic diagram of the experiment.

Download (96KB)
Indexing metadata
6. Fig. 4. The specimens after the axial impact loading tests.

Download (142KB)
Indexing metadata
7. Fig. 5. Contact force time-domain changes during axial shock loading.

Download (75KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Point deformation under axial impact loading in the structure with the adhesive layer thickness of :a – 0.5 mm; b – 1 mm.

Download (167KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. The specimens after the side impact loading tests : a – the adhesive layer thickness is 0.5 mm; b – the adhesive layer thickness is 1.0 mm.

Download (200KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Contact force time-domain changes during side impact.

Download (102KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Deformations of specimens during side impact: а –the adhesive layer thickness of the specimen is 0.5 mm; b – the adhesive layer thickness of the specimen is 1.0 mm.

Download (168KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. Failure zones of the adhesive joint: a – in the experiment; b – in the simulation with the proposed calibration; c – in the simulation without the calibration; d – in the simulation with considering the deformation rate influence only; e – when simulating with considering the adhesive joint thickness influence only.

Download (264KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. Stress distribution of the tubular structure with the adhesive joint thickness of 0.5 mm under axial impact loading of the FE model: a – with the proposed calibration; b – without the calibration of adhesive properties; c – with considering the deformation rate influence only; d – with considering the adhesive joint thickness influence only.

Download (301KB)
Indexing metadata
14. Fig. 13. Results of strain distributions of the tubular structure with the adhesive joint thickness of 0.5 mm under impact loading of the FE model: a – without the calibration; b – with the proposed calibration of adhesive properties; c – with considering the deformation rate influence only; d – with considering the adhesive joint thickness influence only.

Download (372KB)
Indexing metadata
15. Fig. 14. Results of the axial impact loading simulation for the structure with the adhesive layer thickness of: a – 0.5 mm; b – 1 mm.

Download (123KB)
Indexing metadata
16. Fig. 15. The time-domain changes in the contact force between the striker and the structure during axial impact loading.

Download (145KB)
Indexing metadata
17. Fig. 16. Images of simulated deformed states of specimens after side impact with the adhesive layer thickness of : a – 0.5 mm; b – 1 mm.

Download (125KB)
Indexing metadata
18. Fig. 17. The time-domain changes in the contact force between the striker and the structure during lateral impact loading.

Download (142KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Liu Y., Goncharov R.B., Zuzov V.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».