Evaluation of the extended finite element method for the analysis of bonded joints

The extended finite element method is an innovative approach based on finite element method. Where finite element method needs to change the mesh at every step of a crack propagation, extended finite element method does not because the mesh does not need to follow the crack anymore, that is why this method is very well suited for fracture problems. This master’s thesis is the development of the 2D part of this method. The XFEM tool in Abaqus is evaluated for two dimensional stationary cracks with a variety of parameters and features such as meshing technique, element size, symmetry and sub modeling. The purpose is to find a robust and flexible strategy to model cracks. The strategy is verified through handbook cases modeled in Abaqus, where the accuracy has been evaluated. The study was conducted through a numerical analysis by the eXtended Finite Element Method (XFEM) based on stress and strain criteria, which was validated with previously obtained experimental results. The numerical analysis allowed the study of the stress distributions, the effect of the damage initiation criterion, the effect of the propagation law and also the joints strength. The XFEM analysis revealed that this method is fully accurate when using the QUADS initiation criterion, growth criteria and the triangular propagation law. It was shown that the SLJ and DLJ adherend’s geometry and the adhesive type are the most important parameters affecting the joints strength.O Método de Elementos Finitos eXtendido é uma abordagem inovadora baseada no Método de Elementos Finitos. Enquando o Método de Elementos Finitos precisa mudar a malha em cada etapa da propagação da fenda, o Método de Elementos Finitos eXtendido não faz mais porque a malha não precisa de seguir a fenda, e é por isso que esse método é muito adequado para problemas de fratura. Esta dissertação de mestrado é o desenvolvimento da parte 2D deste método. A ferramenta XFEM no Abaqus é avaliada para fendas estacionárias bidimensionais com uma variedade de parâmetros e características como técnica de malha, tamanho do elemento, simetria e sub modelação. O objetivo é encontrar uma estratégia robusta e flexível para modelar fendas. A estratégia é verificada por meio de casos estudo modelados no Abaqus, cuja precisão foi avaliada. O estudo foi conduzido através de uma análise numérica pelo Método dos Elementos Finitos eXtended (XFEM) baseado nos critérios de tensão e deformação, o qual foi validado com resultados experimentais previamente obtidos. A análise numérica permitiu o estudo das distribuições de tensão, o efeito do critério de início de dano, o efeito da lei de propagação e também a resistência das juntas. A análise XFEM revelou que este método é totalmente preciso ao usar o critério de iniciação QUADS, critérios de crescimento e a lei de propagação triangular. Foi demonstrado que a geometria do aderente SLJ e DLJ e o tipo de adesivo são os parâmetros mais importantes que afetam a resistência das juntas