Étude expérimentale et numérique du comportement à rupture des assemblages collés à épaisseur de couche adhésive variable

Experimental and numerical investigation of the adhesive bond thickness variability on bonded joints failure behaviour

• Auteur / Autrice : Agathe Jaillon
• Direction : Frédéric Lachaud, Julien Jumel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 29/06/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département mécanique des structures et matériaux
• Jury : Président / Présidente : Valérie Nassiet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Lachaud, Julien Jumel, Valérie Nassiet, Lucas Filipe Martins da Silva, Franck Lauro, Etienne Barthel, Lucien Laiarinandrasana
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lucas Filipe Martins da Silva, Franck Lauro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Assemblages collés

Polymères

Mots clés libres

Joints collés

Modèles numériques

Fissuration

Polymères

Aéronautique

Bonded joints

Cohesive failure

Numerical analysis

Polymers

Aerospace

Résumé

Afin de réduire l’impact écologique de leurs produits, les secteurs du transport cherchententre autres à en minimiser la masse. Dans ce contexte, le collage structural apparaîtalors comme un concurrent direct des assemblages traditionnels. Cependant, le manquede confiance des industriels dans les propriétés réelles de l’assemblage une fois fabriquénécessite de repenser la totalité de la chaîne de fabrication. Pour cela, le projet S3PACsignifiant « Système de Supervision et de Simulation de la Production d’Assemblage parCollage » propose le développement d’une chaîne de fabrication entièrement contrôlée etsupervisée. Cela inclut notamment la mise en place d’un jumeau numérique prenant encompte les paramètres de fabrication effectifs de la pièce. La réalisation de simulationsnumériques simplifiées permet dès lors la prédiction du comportement à rupture. Il estdonc nécessaire de développer des modèles de comportement prédictifs et rapides de cesassemblages collés.L’objectif de cette étude est de développer les modèles de comportement en incluant laprise en compte d’une variation d’épaisseur de la couche adhésive. L’étude est réalisée avecun système adhésif thermoplastique méthacrylate structural dont le comportement mécaniqueet thermomécanique est caractérisé expérimentalement. Dans un premier temps,il est étudié sous sa forme massique ce qui permet de mettre en évidence un comportementcomplexe de type viscoélastoplastique. Dans un second temps, son comportementest analysé au sein d’un assemblage pour des sollicitations à champ homogène avec deuxépaisseurs de couche adhésive. Par la suite, une étude analytique de l’essai DCB est réaliséeafin de de réaliser une évaluation de la validité de l’identification inverse pour ladétermination d’une loi de traction séparation. Une étude expérimentale de la fissurationen mode I est réalisée pour des conditions de confinement variables. Elle permet demettre en évidence une amélioration de la tenue mécanique avec l’épaisseur, ainsi que ledéveloppement d’une zone plastique pour les couches adhésives les plus épaisses. Enfin,une approche numérique par éléments finis est mise en place afin de mettre en évidenceles effets d’épaisseur dans la répartition des contraintes et des déformations au sein dela couche adhésive. Une démarche d’identification d’une modélisation par des élémentscohésifs couplés à des éléments massiques est proposée et discutée.

One of transport sector’s current problematic is to reduce their products’ mass. Todo so, weight to mass ratio is optimized for both materials and joining technic. Adhesivebonding then appears as a viable competitor to more traditional joining technic such asbolting and riveting. However, adhesive bonding suffers greatly from a lack of confidencefrom industries, as ensuring and validating the bond quality is quite challenging. TheS3PAC project suggests addressing it by redesigning the joining process. The implementationof an entirely supervised process would enable the use of a numerical twin, whichwould compute the failure behavior of the manufactured structure. The goal of this studyis to develop those models and to include the influence of the bond thickness variability.Throughout this work, the adhesive used is a thermoplastic methacrylate adhesive.Its mechanical and thermomechanical behavior has been studied experimentally. Firstly,it is carried out on its bulk form and in a bonded assembly subjected to a homogenousstress distribution. It shows that this adhesive has a complex viscoelastoplastic behavior.Secondly, an analytical analysis of the DCB test has been carried out in order to evaluatethe cohesive zone model inverse identification approach validity. Then, the influence ofthe adhesive thickness on mode I failure is studied experimentally. It appears that bondthickness increases the mechanical strength of the assembly and that the enlargement ofa plastic area can be monitored during crack propagation. Finally, the development of anumerical model highlights the stress and strain inhomogeneity in the adhesive thickness.The identification method of a model containing both cohesive and bulk elements is thensuggested and analyzed.