Modelling of friction stir welding processes and their influence on the structural behaviour of aluminium stiffened panels

Abstract

Aluminium stiffened panels are the basic elements of many structures with requirements of high strength/weight ratio. They are used in a wide variety of applications such as airplane wings and fuselage, ships and off-shore structures. Friction Stir Welding (FSW) process has been used in the manufacturing of such structures as an alternative of other joining techniques, such as riveting or fusion welding processes, with many advantages. The understanding of the effects of FSW processes in the structural behaviour of stiffened panels is a relevant research area, useful to avoid conservative design choices often motivated by an attempt to compensate for structural analysis uncertainties. The present work focus on the numerical simulation of FSW processes, aiming to predict its effects, and also on the numerical simulation of the longitudinal compression of aluminium stiffened panels, including these effects. The numerical model for FSW was firstly developed to simulate single plates’ joining and subsequently validated using data from experiments, also performed in the scope of this work. The validated model was afterwards adapted to simulate FSW operations on stiffened panels. Sensitivity analyses performed showed an insignificant variation in the results coming from models using distinct heat input distributions related to the geometry of the toll. On the contrary, both models showed significant sensitivity to the variations of the mechanical boundary conditions that simulate the clamping system, although the single plate model was seen to be more affected by this modelling parameter. The simulations regarding the longitudinal compression of the panels included the study of the influence of each one of the welding effects (distortion, residual stresses and material softening) on the structural behaviour. The numerical modelling of these welding effects was performed adopting two different procedures: using the results from FSW numerical analyses; and using a simplified methodology based on the literature. Regarding the compression of the panels, other modelling details were also tested and compared, such as: the numerical solving methodology; the plastic behaviour definitions of the material and the welding effects on the transversal edges. All the mentioned welding effects were able to affect the panel behaviour and, namely, the collapse load. Finally, a complementary study on initial geometrical imperfection was performed using distinct deformed shapes obtained from eigenvalue analyses and applied with different magnitudes. The variation of the collapse load with the increase of the imperfection magnitude revealed to be dependent on the shape of that imperfection.

Os painéis reforçados em alumínio são os elementos básicos de muitas estruturas que requerem alto desempenho em termos da relação resistência/peso. São usados numa ampla gama de aplicações como asas e fuselagem de aviões, navios e estruturas off-shore. Os processos de soldadura por fricção tem sido usados na manufatura dessas estruturas em substituição de outras técnicas de ligação, como a rebitagem ou processos de soldadura por fusão, com inúmeras vantagens. A compreensão dos efeitos da soldadura por fricção no comportamento estrutural de painéis reforçados é uma importante área de investigação, já que permite evitar soluções conservativas na fase de projeto, frequentemente consideradas para compensar incertezas na análise estrutural. O presente trabalho centra-se na simulação numérica do processo de soldadura por fricção, de forma a prever os seus efeitos, e na simulação numérica da compressão longitudinal de painéis reforçados em alumínio incluindo esses efeitos. O modelo numérico da soldadura por fricção foi inicialmente desenvolvido para simular a ligação de duas placas e subsequentemente validado usando dados experimentais obtidos também no âmbito deste trabalho. O modelo validado foi posteriormente adaptado para simular o processo de soldadura por fricção em painéis reforçados. Estudos de sensibilidade revelaram uma variação insignificante nos resultados provenientes de simulações que usaram diferentes distribuições de calor relativas à geometria da ferramenta. Pelo contrário, ambos os modelos mostraram grande sensibilidade às variações das condições de fronteira mecânicas que reproduziam o sistema de fixação. O modelo numérico da placa mostrou ser muito mais afetado por este parâmetro de modelação. As simulações relacionadas com a compressão longitudinais dos painéis incluíram o estudo da influência de cada um dos efeitos da soldadura (distorção, tensões residuais e amaciamento do material) no comportamento estrutural. A modelação numérica destes efeitos da soldadura foi feita adotando duas diferentes metodologias: usando os resultados das análises numéricas do processo de soldadura por fricção; e usando uma modelação simplificada baseada na literatura. Ainda relativamente à compressão dos painéis, foram testados e comparados outros detalhes relativos à modelação, como: a metodologia numérica de resolução do problema; a definição do comportamento plástico do material e os efeitos da soldadura junto das extremidades transversais. Todos os efeitos da soldadura mencionados mostraram a capacidade de afetar o comportamento dos painéis, nomeadamente a sua carga de colapso. Finalmente, foi realizado um estudo complementar relativo as imperfeições geométricas iniciais atráves do uso configurações de deformação distintas, obtidas de análises de valores próprios e aplicadas com diferentes magnitudes. A variação da carga de colapso com o aumento da magnitude da imperfeição revelou-se dependente do padrão geométrico dessa imperfeição.