The accurate calculation of the stresses and torque capacities of adhesively bonded joints is not possible without understanding the failure phenomena of the adhesive joints and the nonlinear behavior of the adhesive.
In this paper, an adhesive failure model of the adhesively bonded tubular single lap joint with steel-steel adherends was proposed to predict the torque capacity accurately.
The model incorporated the nonlinear behavior of the adhesive and the different failure modes in which the adhesive failure mode changed from bulk shear failure, via transient failure, to interfacial failure between the adhesive and the adherend, according to the magnitudes of the residual thermally induced stresses from fabrication.
원형 single lap 접착 조인트의 토오크 전달 용량을 실험과 유한요소법에 의한 해석의 두가지 방법을 통해 얻었고, 계산된 조인트의 토오크전달 용량을 실험적으로 측정된 값과 비교해 봄으로써 실재 원형 접착 조인트의 파괴 형태에 관한 모형을 만들어 보고자하며 조인트의 크기와 접착 두께의 함수로 나타나는 성형 잔류 열응력의 크기와의 관계 또한 살펴보고자 한다. 위의 모형에서는 원형 접착 조인트의 파괴 형태가 성형 잔류 열응력의 크기가 증가함에 따라 bulk 파괴 형태에서 전이적 파괴 형태를 지나 접착제와 피접착부 사이의 경계면 파괴 형태로 변화된다는 내용을 제안하게 되었다.
접착제에 의한 원형 접착 조인트의 경우 토오크 전달 용량은 접착제의 두께에 의해서 많은 영향을 받는다. 응력 경계조건을 적용한 해석적인 결과나 유한요소법에 의한 결과 모두 접착제의 두께가 증가함에 따라 조인트의 토오크 전달 용량이 증가한다고 말하고 있다. 그러나, 실험을 통해서는 일반적으로 반대의 현상이 나타나고 있다.
실험결과에 따르면 접착 두께에 대한 원형 접착 조인트의 정적 토오크 전달 용량의 분포로서 접착 두께가 0.02 ~ 0.1 mm의 영역에 있을 때는 조인트의 정적 토오크 전달 용량이 거의 일정하게 유지되고 있음을 볼 수 있고, 접착 두께가 0.1 mm 이하인 경우 거의 일정하게 유지되는 토오크 전달 용량은 접착층의 끝단이 파괴 변형률에 도달할 때까지 접착제와 피접착부 사이에서 debonding이 발생하지 않고 접착층이 완전히 소성 변형 구간에 놓이게 되기 때문인 것으로 설명할 수 있다.
접착 두께가 점차 증가함에 따라 토오크 전달 용량은 급격히 줄어드는 것을 볼 수 있고 이러한 감소율은 안쪽 피접착부의 직경의 감소에 따른 효과를 고려하더라도 그 정도가 훨씬 크게 나타났으며, 이러한 결과는 응력 경계조건을 이용한 결과와는 반대의 현상이다. 접착 두께가 0.1 mm 이상에서 토오크 전달 용량이 감소하는 현상은 접착층이 파괴 변형률에 도달하기 전에 접착제와 피접착부 사이의 표면에서 debonding이 일어나는 것으로 설명할 수 있다. 성형 시의 온도와 상온간의 온도차에 의한 잔류 열응력의 크기가 접착 두께가 증가함에 따라 함께 증가하는 형상을 살펴볼 때 접착제가 두꺼울수록 debonding이 잘 일어날 것이라는 것을 예상할 수 있다.
위의 실험 결과를 근거로 보다 정량적인 접근을 위하여 접착 조인트의 파괴 모델로서 비틀림 하에서의 원형 접착 조인트의 파괴 형태가 크게 두가지의 다른 형태로 나뉘어 나타난다고 가정했다.
첫번째 형태는 접착제와 피접착부 사이의 접착이 잘 이루어져서 성형에 의한 잔류 열응력이 접착제의 인장 강도에 비해 아주 작게 나타나는 경우로서 비틀림 하에서 접착이 매우 안정하게 이루어 지며 이 형태를 bulk 파괴 형태라고 부르며 파괴조건으로 최대 변형률 경계조건을 사용했다.
두번째 형태는, 성형 잔류 열응력 때문에 접착제의 전단 강도보다 작은 피접착부와의 접착 강도에서 접착제와 피접착부의 경계면에서 debonding에 의한 파괴가 발생하는 형태로서 경계면 파괴 형태라고 부르며 파괴조건으로는 열응력의 크기를 고려한 응력 경계조건을 사용했다.
위의 두가지 파괴 형태 외에 bulk 파괴 형태에서 경계면 파괴 형태로 전환되는 구간의 파괴 형태를 전이적 파괴 형태라고 부르며 이 구간에서의 토오크 전달 용량의 예측을 위해 확률함수를 이용했다.
본 논문에서는 실험적으로 steel-steel 피접착부를 가지는 원형 single lap 접착 조인트의 정적 토오크 전달 용량이 접착 두께에 대해 측정되었으며, 측정 결과에 의하면 접착 두께가 증가함에 따라 토오크 전달용량은 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 단순히 응력 경계조건을 적용한 해석적 결과나 유한 요소법에 의한 결과와는 반대가 된다.
토오크 전달 용량에 대한 실험 결과와 계산 결과와의 불일치를 개선하기 위해 접착제의 파괴가 bulk 파괴 형태에서 전이적 파괴 형태를 지나 경계면 파괴 형태로 바뀌게 된다는 원형 접착 조인트에 대한 파괴형태의 변화에 관한 모형을 제안하게 되었고, 보다 실재에 가까운 해석을 위하여 유한요소법의 적용에 있어서 앞에서 제안된 접착제의 파괴조건과 접착제의 비선형 재료 거동을 고려하였다.
제안된 접착제의 파괴 형태의 변화에 관한 모형을 적용하게 되면 접착제에 의한 원형 접착 조인트의 토오크 전달 용량의 보다 정확한 예측이 가능하게 되었다.
