Méthode pour un calcul rapide des facteurs d’intensité de contrainte en bord de joint collé subissant un chargement mécanique et cryogénique : exploitation en vue de prédire la tenue en rupture adhésive

Method for quick calculation of stress intensity factors at the edge of the bonded joint undergoing mechancal and cryogenic loading : exploitation to predict the resistance to adhesive failure

• Auteur / Autrice : Fatouma Maamar
• Direction : Marc Sartor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rupture, Mécanique de la

Contraintes (mécanique)

Mots clés libres

Rupture adhésive

Chargement thermique

Facteur d’intensité des contraintes

Résumé

Le travail s’intéresse aux méthodes de prédiction de la résistance d’un joint collé vis-à-vis d’une rupture adhésive, c’est-à-dire d’un décollement à l’interface entre l’un des substrats et la couche de colle. Il s’attache à définir une méthode de calcul rapide d’un critère d’amorçage au service d’un secteur d’application particulier: celui de la construction spatiale où l’assemblage subit un chargement thermique aux basses températures, les matériaux étudiés étant la colle structurale Scotch-Weld DP490, l’invar et le carbure de silicium. Le critère conventionnel du facteur d’intensité des contraintes, d’expression « K < KC » où K est un indicateur du niveau d’intensité qu’atteint la contrainte de pelage à l’extrémité du joint de colle, et KC est une valeur critique au-delà de laquelle le décollement se produit, a été retenu a priori. L’objectif étant de développer une méthode simple et rapide de calcul de K, une approche à base de coefficients d’influence est proposée. Elle s’appuie sur quatre contraintes de référence, trois d’entre elles étant déterminées par le biais d’une analyse aux éléments finis faiblement détaillée, et lues en un point précis du maillage, la quatrième étant la contrainte de pelage homogène qui s’installe dans toute la zone singulière en présence d’un chargement thermique. L’identification des quatre coefficients d’influence est basée sur un plan d’expériences numériques où 3 types de chargements différents sont considérés. Les écarts entre les résultats obtenus et les valeurs de référence restent faibles. La méthode proposée est ensuite appliquée à différentes configurations concrètes correspondant à des essais réalisés par un partenaire industriel. Il est montré que le calcul de K est fiable, mais que, par contre, le critère retenu semble ne pas être adapté au secteur d’application considéré ici.

The work focuses on methods for predicting the adhesive failure strength of a bonded joint, that is to say the resistance to delamination at an interface between a substrate and the adhesive layer. It attempts to define a method to quickly calculate a criterion for the failure initiation to serve a particular application domain: space construction where assemblies undergo thermal loading at low temperatures, the studied materials being structural adhesive Scotch-Weld DP490, invar and silicon carbide. The conventional criterion of the stress intensity factor has been chosen a priori, its formulation being ''K < KC” where K is an indicator of the peeling stress intensity at the end of the interface, and KC is a critical value beyond which the rupture occurs. The main objective being to develop a simple and quick method to calculate K, an approach using influence parameters is proposed. It is based on four reference stresses, three of them being obtained at a well defined point of a specific mesh, from a very few detailed finite element analysis, the fourth being the homogeneous peel stress which appears in the entire singular zone in thermal loading conditions. The identification of the four influence parameters is based on a numerical experiments plan where three different types of loads are considered. The gap between the results obtained and reference values remains low. The proposed method is then applied to various concrete configurations corresponding to tests performed by an industrial partner. It is shown that the calculation of K is reliable, but that, cons, the criterion appears not to be suitable for application area considered here.