Analyse et modélisation des chemins d'efforts et de la dégradation des assemblages de type HYPER joints

Analysis and modeling of load paths and damage of the HYPER joints assembly

• Auteur / Autrice : Paul Van Der Sypt
• Direction : Hervé Wargnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 13/02/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux - Institut de Mécanique et d'Ingénierie / I2M
• Jury : Président / Présidente : Christine Espinosa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Wargnier, Christine Espinosa, Nicolas Carrere, Zoheir Aboura, Christophe Bois, Jean-Claude Grandidier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Carrere, Zoheir Aboura

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites

Assemblages (technologie)

Mots clés libres

Assemblages multi-Matériaux

Dialogue essai / calcul

Conception

Metal / composite joints

Numerical / experimental dialog

Design

Résumé

Les structures doivent répondre à des cahiers des charges de plus en plus complexes. La réduction des coûts et de la masse est plus que jamais primordiale. L’optimisation des structures passe, notamment, par l’innovation des assemblages métal / composite. Ces travaux se concentrent sur une nouvelle technologie : les HYPER joints. Des picots sont fabriqués à la surface d’une pièce métallique par fabrication additive et insérés au sein de la pièce composite avant polymérisation. Dans une démarche d’industrialisation, le concepteur doit être en mesure de déterminer l’agencement adéquat des picots (en termes de nombres et de répartition) sur la surface de recouvrement pour assurer les fonctions mécaniques requises. L’objectif de la thèse est donc de proposer un modèle capable de prédire l’effort à rupture et le mode de défaillance associé. La construction de cet outil est réalisée au travers d’un dialogue essai / calcul. Un modèle par éléments finis est mis en place pour représenter les modes de défaillance observés expérimentalement : rupture des picots et rupture du composite par création et propagation d’un délaminage. L’analyse du mode de rupture du picot se fait en trois étapes : la caractérisation du matériau, l’analyse de la géométrie du picot et enfin la mise en place du modèle par éléments finis intégrant une loi élasto-plastique. Le mode de défaillance par délaminage est traité à l’aide d’une zone cohésive endommageable. Pour un chargement en arrachement, les propriétés d’interface, résistance et énergie de rupture, ont été identifiées à partir d’un modèle basé sur la mécanique linéaire de la rupture. Le domaine de validité du modèle est ensuite discuté à l’aide de deux configurations : un chargement en mode mixte combinant arrachement et cisaillement, et une configuration présentant une distribution d’effort complexe entre les picots. Pour finir, des outils de dimensionnement sont générés à l’aide du modèle par éléments finis. Ces outils se présentent sous la forme de courbes maitresses permettant de prédire le niveau de rupture et le mode de rupture en fonction de la densité et de l’agencement des picots.

Structures need to cope with specifications displaying a rising complexity. Cost and mass budget reduction is no more an option. Optimization of structures occurs through innovative solutions for metal / composite assemblies. The current work focus on a new technology: the HYPER joints. Pins are manufactured on the top of a metallic part using additive manufacturing and then inserted inside a composite laminate while it is still uncured. From an industrial view, designers must be able to determinate the adequate pin pattern on the overlap surface to deal with the mechanical properties required. This work aims to propose a model predicting the failure load and the associated failure mode. To build such tool, a numerical / experimental dialog has been set up. A finite element model is established modeling the failure modes experimentally observed: pin failure and composite failure by ignition and propagation of delamination. Pin failure mode is investigated through three steps: material characterization, pin geometry analysis and finally the implementation of the finite element model integrating an elasto-plastic law. Delamination failure mode is analyzed thanks to cohesive zone modelling (CZM). Under pull-off loading, interface properties are identified using a model based on the linear fracture mechanic. Domain of validity is discussed through two study cases: a mixed mode loading combining pull-off and shear, and a configuration providing a complex load distribution between the pins. Finally, design tools were generated using the finite element model. Those tools are formed by reference curve allowing predicting the failure load and failure mode regarding the pin density and pattern chosen.