Analyse et optimisation des assemblages coniques collés mixtes sous chargements thermo-mécaniques

Analysis and optimization of mixed-mode conical adhesively bonded joints under thermo-mechanical loadings

• Auteur / Autrice : Ophélie Devaux
• Direction : Romain Créac'hcadec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Génie mécanique
• Date : Soutenance le 26/10/2015
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la mer (Plouzané, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire brestois de mécanique et des systèmes
• Jury : Président / Présidente : Till Vallée
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Créac'hcadec, Till Vallée, Yves Grohens, Stéphane Fontaine, Thierry Aubry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yves Grohens, Stéphane Fontaine

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés thermomécaniques

Assemblages collés

Mots clés libres

Adhésif époxy

Cycle de vie

Taux de polymérisation

Arcan Evolution

Loi de comportement

Calcul par éléments finis

Stratégie d'identification inverse

Epoxy adhesive

Life cycle

Curing degree

Arcan evolution test

Constitutive model

Finite element analysis

Inverse identifi cation strategy

Résumé

Dans I'industrie spatiale, I'optimisation des structures composites du point de vue cycles de fabrication, gain de masse et amélioration des performances passe aujourd'hui par I'introduction de jonctions collées en remplacement/complément de liaisons boulonnées ou rivetées. Les lanceurs sont des structures complexes qui nécessitent de prendre en compte les contraintes liées à la fabrication de structures de grandes tailles, I'influence des conditions de transport et de stockage, ainsi que les différents spectres de chargements thermo-mécaniques rencontrés au cours de la phase de lancement. Le but de ce travail a été de développer un outil prédictif du comportement mécanique de I'adhésif Hysol EA-9321, matériau utilisé dans cette étude, à tout instant du cycle de vie de la structure sur lequel il est utilisé, la structure SYLDA. La caractérisation et la modélisation d'un couplage thermo-cinétique d'un tel adhésif ont tout d'abord été réalisées en vue de déterminer la distribution du taux de polymérisation et de la température dans un assemblage collé quel que soit le chargement thermique appliqué. Le comportement mécanique de l'adhésif a ensuite été étudié expérimentalement via I'essai Arcan Evolution, ce qui a constitué une base de données expérimentales à divers taux de polymérisation adaptée à I'identification du modèle de comportement. Plusieurs modèles élasto-plastique et élasto-visco-plastique basés sur celui de Mahnken-Schlimmer ont été implantés dans un code de calcul éléments finis afin de prédire le comportement 3D de l'adhésif Hysol EA-9321. Une procédure globale d'identification, basée sur un couplage entre calculs éléments finis et une procédure d'optimisation, a permis d'identifier les différents paramètres des lois de comportement. Une extension de ces modèles à la visco-élasticité a été numériquement proposée. Enfin, une comparaison numérique entre une liaison conique et une liaison semblable à celle trouvée sur la structure spatiale étudiée a permis de proposer un essai représentatif du comportement de I'adhésif sur un tel assemblage. Cet essai servira, dans une étude complémentaire, à valider les modèles de comportement développés.

In the aerospace industry, composite structures are nowadays optimized with adhesively bonded joints supplemented by/or completed with mechanical fasteners such as bolts, rivets or welds. The structural design of launch vehicles is complex and must take into account lot of constraints related to large-scale structures, influence by environment conditions during storage, transport stages and thermo-mechanical stresses applied during launcher's flight. The purpose of this work was to provide a numerical tool for predicting the mechanical behaviour of the Adhesive Hysol EA-9321 in a spatial bonded assembly such as the SYLDA structure during its life course. First of all, a thermo-kinetic coupling was experimentally and numerically investigated to describe the couple (curing degree-temperature) in a bonded assembly regardless of the thermal load applied. Then, an experimental database was made by studying the mechanical behaviour of the adhesive under proportional loadings, using the Arcan Evolution experimental device. Cure-dependent elastoplastic and elasto-visco-plastic model based on Mahnken-Schlimmer constitutive laws were proposed in order to describe the 3D mechanical behaviour of the adhesive Hysol EA-9321. A global identification strategy allowed identifying material parameters by coupling finite element computations and optimization procedure. An extension of those models to the visco-elasticity was evenly provided. At last, a conical bonded joint and a bonded assembly in the SYLDA structure were numerically compared to propose a test representative of the adhesive behaviour in the SYLDA. The latter will aim at validating the constitutive laws established.