Fiabilité des assemblages structuraux collés pour applications spatiales

Reliability of bonded assemblies for space launchers

• Auteur / Autrice : Naoufel Ben Salem
• Direction : Martin Shanahan, Julien Jumel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Ingénierie
• Date : Soutenance le 17/12/2012
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Michel Nardin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Carrere, Florian Lavelle, Serge Bellut
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Jacques Barrau, Frédéric Jacquemin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astronautique

Fiabilité

Assemblages collés

Mots clés libres

Adhésifs structuraux

Essais de traction

Microstructure

Statistiques

Joints collés

Double Cantilever Beam

End Notched Flexure

Mixed Mode Bending

Process zone

Corrélation d’Images Numériques

Backface Strain

Structural adhesives

Tensile test

Microstructure

Statistics

Bonded joints

Double Cantilever Beam

End Notched Flexure

Mixed Mode Bending

Process zone

Digital Image Correlation

Backface Strain

Résumé

Le dimensionnement des joints collés est une préoccupation majeure du CNES pour lesapplications spatiales des futurs lanceurs. Pour dimensionner une structure collée, il est nécessaire depouvoir apprécier les caractéristiques mécaniques du joint collé.Dans cette étude, trois adhésifs structuraux ont été sélectionnés (Hysol®EA 9321, Hysol®EA9394 et Hysol EA® 9395). Après leur caractérisation massique, une étude statistique pour mettre enévidence les effets des différents paramètres (vitesse d’essai, géométrie éprouvette, le degré depolymérisation…) a été entreprise.La deuxième étape a pour objectif de fiabiliser l’analyse des essais de fissuration etd’améliorer la compréhension des mécanismes d’endommagement et de propagation de fissure dansles liaisons collées. Trois types d’essai ont été utilisés, à savoir, l’essai Double Cantilever Beam(DCB), pour l’étude du mode I, l’essai End Notched Flexure (ENF), pour le mode II, et l’essai MixedMode Bending (MMB), pour les chargements en mode mixte I/II. Nous avons développé de nouvellesinstrumentations et méthodologies d’analyse. Pour affiner le protocole de test standard, la techniquedite de « backface strain monitoring » a été utilisée. Elle consiste à positionnées des jauges dedéformation sur les surfaces de l’éprouvette de façon à enregistrer l’évolution du signalextensométrique durant la propagation de la fissure. Cette méthode permet une meilleure estimation dela position front de fissure ainsi que l'étude de la répartition des contraintes le long du joint de colle.La corrélation d'images numériques (DIC) a également été utilisée afin de proposer un nouveauprotocole de calibrage de la longueur de fissure et pour comparer un modèle analytique (poutre deTimoshenko sur fondation élastique) avec les résultats expérimentaux.

Adhesive bonding is being strongly considered in space applications CNES as anadvantageous assembly technique for future launchers. Correct design of adhesive joints is of majorconcern. Aerospace adhesives are tough viscoelastic matrices (special epoxy resins) reinforced withnano-, or microparticles. Extended use of adhesive joints in structural applications is limited due to thedifficulties in predicting in-service performance, frequently leading to over-conservative design.Three structural adhesives (Hysol®EA 9321, Hysol®EA 9394 and Hysol®EA 9395) wereselected. After their bulk characterization, statistical studies to highlight effects of different parameterse.g. speed, test piece geometry, degree of polymerization were undertaken.In the second stage, fracture mechanics tests were effected employing: the double cantileverbeam (DCB) configuration (mode I characterisation), the three point bending end-notched flexure(ENF) (mode II) and the mixed-mode bending (MMB) (combined mode I/II loading). Crack growth inbonded joints was investigated in a novel way. To refine standard test protocol, the backface strainmonitoring technique was used. Strain gauges were used to measure the strain on the exposed skin ofthe adherends during crack onset and propagation. This method allows better estimation of the crackfront position as well as fine investigation of the stress distribution along the bondline and in the crackfront vicinity. Digital image correlation (DIC) was also used to compare analytical models, e.g.Timoshenko beam on elastic foundation model with experimental results.