Improved methods for modelling debonding and composite delamination under fatigue loading

The increasing adoption of lightweight multi-material and composite structures has intensified the need for reliable modelling tools capable of predicting debonding and delamination under fatigue loading. In metallic and composite assemblies, interface-driven failures such as adhesive debonding, delamination, and weld–adhesive interaction critically affect structural integrity and durability. Although numerical techniques such as the Virtual Crack Closure Technique (VCCT) and Cohesive Zone Model (CZM) are widely used, several challenges and gaps remain. In particular, the fatigue modelling of hybrid welded–bonded joints is still limited in the literature, with most existing studies focusing primarily on experimental investigations rather than predictive numerical approaches. On the other hand, while CZM provides a more flexible framework for crack initiation and propagation, its application to fatigue problems often relies on the implementation of user-defined subroutines, increasing modelling complexity and limiting accessibility. This thesis addresses these gaps through three complementary research studies, presented as an article-based thesis and consolidated into a numerical framework. The first study (Paper A) investigates the static and fatigue behavior of the spot-welded, adhesively bonded, and hybrid welded–bonded single-lap joints using the VCCT combined with the Direct Cyclic (DC) algorithm. The results were validated against the experimental data, successfully reproducing the joint stiffness, failure loads, crack growth evolution, and load-cycle curves. The results show that the bonded and hybrid joints significantly outperform the spot-welded joints in both static and fatigue loading. The hybrid joints offer slight improvements with respect to the bonded joints, though these remain within experimental scatter. This study addresses the limited availability of numerical investigations on hybrid weld-bonded joints, for which the existing literature is predominantly experimental. The second study (Paper B) introduces a new Cohesive Sequential Static Fatigue (C-SSF) algorithm, which merges the accuracy of the cohesive elements with the efficiency of the Sequential Static Fatigue (SSF) approach. The C-SSF algorithm simulates fatigue loading by launching a series of sequential static simulations. Implemented entirely through Python automation in Abaqus, without User MATerial (UMAT) or User ELement (UEL) subroutines, the method simulates the fatigue crack initiation and propagation under Mode I, Mode II, and mixed-mode loading. Validation using standard Double Cantilever Beam (DCB) specimen and non-standard Reinforced DCB (R-DCB) configuration demonstrates excellent agreement with the experimental Paris law crack growth curves and significantly improved accuracy over the VCCT-based SSF approach for non-standard specimens featuring extended and curved delamination fronts. The third study (Paper C) extends the C-SSF method to the adhesively bonded joints, enabling the simulation of the fatigue debonding under varying load ratios. Mode I and Mode II analyses for multiple R-ratios show that the proposed framework accurately captures the experimentally observed crack growth trends and load ratio effects while also predicting Fracture Process Zone (FPZ) development, previously impossible with the VCCT-based approaches. Application to a non-standard End-Loaded Split (ELS)-like bonded configuration further confirms the robustness of the method for complex geometries. Overall, this thesis provides a computationally efficient, and experimentally validated framework for modelling the fatigue-induced delamination and debonding using only built-in finite element capabilities and external scripting. The C-SSF algorithm presents a significant advancement in cohesive-based fatigue analysis. It enables accurate crack growth prediction and crack initiation modelling, while also capturing FPZ evolution, handling complex delamination fronts, and eliminating the need for user-defined subroutines. These contributions lay the foundation for more accessible and reliable fatigue-failure simulations in composite laminates, adhesively bonded joints, and hybrid welded–bonded structures, offering substantial benefits for the design and durability assessment of the modern lightweight engineering systems.

La crescente diffusione di strutture leggere multimateriale e in materiale composito ha intensificato la necessità di strumenti di modellazione affidabili, in grado di prevedere fenomeni di debonding e delaminazione in condizioni di carico a fatica. Nelle strutture metalliche e composite, i cedimenti localizzati all’interfaccia — quali il distacco adesivo, la delaminazione e le interazioni saldatura–adesivo — influenzano in modo critico l’integrità strutturale e la durabilità. Sebbene tecniche numeriche come la Virtual Crack Closure Technique (VCCT) e il Cohesive Zone Modelling (CZM) siano ampiamente impiegate, persistono importanti limitazioni, in particolare nella simulazione a fatica dei giunti ibridi saldati–incollati, nella rappresentazione di fronti di cricca complessi e nella dipendenza da subroutine utente per la modellazione a fatica basata su elementi coesivi. Questa tesi affronta tali criticità attraverso tre studi complementari, integrati in un unico quadro numerico coerente. Il primo studio (Paper A) analizza il comportamento statico e a fatica di giunti a singola sovrapposizione saldati a punti, incollati e ibridi saldati–incollati, impiegando la VCCT combinata con l’algoritmo Direct Cyclic (DC). I risultati numerici sono stati validati con dati sperimentali, riproducendo accuratamente la rigidezza del giunto, i carichi di rottura, l’evoluzione della propagazione della cricca e le curve P–N. I giunti incollati e ibridi mostrano prestazioni significativamente superiori rispetto ai giunti saldati a punti sia in condizioni statiche sia a fatica. I giunti ibridi presentano solo lievi miglioramenti rispetto ai giunti incollati, rientrando comunque nella dispersione sperimentale. Questo studio colma un’importante lacuna nella modellazione numerica dei giunti ibridi saldati–incollati, campo in cui la letteratura è prevalentemente sperimentale. Per superare le limitazioni intrinseche della VCCT, il secondo studio (Paper B) introduce un nuovo algoritmo Cohesive Sequential Static Fatigue (C-SSF), che combina l’accuratezza degli elementi coesivi con l’efficienza dell’approccio Sequential Static Fatigue (SSF). L’algoritmo C-SSF simula il carico a fatica mediante una serie di analisi statiche sequenziali. Implementato interamente tramite automazione Python in Abaqus, senza ricorrere a subroutine utente (UMAT o UEL), il metodo permette di simulare l’inizio e la propagazione della cricca a fatica in modalità I, modalità II e in condizioni di modo misto. La validazione su provini Double Cantilever Beam (DCB) standard e su una configurazione DCB rinforzata non standard ha evidenziato un eccellente accordo con le curve sperimentali di propagazione della cricca secondo la legge di Paris, mostrando al contempo una precisione nettamente superiore rispetto al metodo SSF basato sulla VCCT per fronti di delaminazione ampi o curvi. Il terzo studio (Paper C) estende il metodo C-SSF ai giunti incollati, consentendo la simulazione del debonding a fatica per diversi valori di rapporto di carico. Le analisi in modalità I e modalità II per differenti valori di R dimostrano che il metodo proposto riproduce accuratamente l’evoluzione sperimentale della cricca e gli effetti del rapporto di carico, prevedendo inoltre lo sviluppo della zona di processo di frattura (FPZ), risultato precedentemente irraggiungibile con approcci basati su VCCT. L’applicazione a una configurazione non standard di tipo End-Loaded Split (ELS) conferma ulteriormente la robustezza del metodo per geometrie complesse. Nel complesso, questa tesi fornisce un quadro numerico unificato, efficiente dal punto di vista computazionale e validato sperimentalmente per la modellazione della delaminazione e del debonding a fatica utilizzando esclusivamente funzionalità native del metodo degli elementi finiti e scripting esterno. L’algoritmo C-SSF rappresenta un avanzamento significativo nell’analisi a fatica basata su modelli coesivi, garantendo previsioni accurate della propagazione della cricca, consentendo la modellazione dell’inizio del danno, catturando l’evoluzione della FPZ, gestendo fronti di delaminazione complessi ed eliminando la necessità di subroutine utente. Tali contributi pongono le basi per simulazioni a fatica più accessibili, affidabili e accurate su laminati compositi, giunti incollati e giunti ibridi saldati–incollati, con importanti ricadute sulla progettazione e sulla valutazione di durabilità dei moderni sistemi strutturali leggeri.