Comportement mécanique et rupture de l’interface adhésif / substrat d’assemblages collés vieillis en eau : caractérisation expérimentale et simulation numérique

Mechanical behaviour and fracture of the adhesive / substrate interface of adhesively bonded joints aged in water : experimental and numerical characterisation

• Auteur / Autrice : Johnatan Leplat
• Direction : David Thévenet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 21/10/2021
• Etablissement(s) : Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Naval Group
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Lachaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maëlenn Aufray, Pierre Bidaud, Antoine Maison, Émilien Billaudeau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Silvio Romero de Barros, Bruno Fayolle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Matériaux -- Fissuration

Fissuration

Matériaux -- Essais dynamiques

Modèles mathématiques

Propriétés mécaniques

Rupture, Mécanique de la

Matériaux -- Détérioration

Mer

Assemblages collés

Mots clés libres

Assemblage collé

Vieillissement

Rupture

Propriétés mécaniques

Interfaces

Adhesive bonding

Water ageing

Fracture

Mechanical properties

Interfaces

Résumé

Les éoliennes ou hydroliennes sont des structures comprenant l'assemblage de matériaux diverses. L'assemblage multi-matériaux dans le milieu marin suscite un grand nombre de questionnements scientifiques. Le vieillissement hydrique des assemblages collés accroît le risque de rupture à l'interface colle/substrat (rupture adhésive). Néanmoins, seule la rupture au cœur du joint de colle (rupture cohésive) est prise en compte par les normes. L'objectif de ce travail est d'intégrer la rupture adhésive dans la prévision de la rupture d'assemblages collés. Outre les étapes de choix des conditions de polymérisation de l'adhésif, de choix des conditions de vieillissement, et de l'identification d'un modèle de comportement dépendant de la concentration en eau, une attention particulière a été portée à l'étude de la rupture cohésive et à l'étude de la rupture adhésive. Le taux de restitution d'énergie critique (GC) associé à la rupture cohésive de l'adhésif a été calculé à partir d'essais menés sur des éprouvettes TDCB, dont une modification a été apportée durant ces travaux afin de permettre d'obtenir des faciès de rupture cohésifs quelle que soit la durée de vieillissement. Des modèles numériques intégrant le comportement mécanique ont permis de caractériser l'évolution du GC de l'adhésif en fonction de la concentration en eau. L'amorçage de fissures à l'interface colle/substrat, obtenu par des essais bout-à-bout développé spécifiquement dans cet objectif, a permis de définir et d'identifier un critère d'amorçage en contrainte. En complément, un essai de propagation de fissure sur une interface, a permis d'évaluer le taux de restitution d'énergie interfacial pour différentes concentrations en eau. L'ensemble de ces outils a permis le développement d'un modèle numérique prédictif de la rupture d'un assemblage collé vieilli en eau intégrant la rupture adhésive.

The wind and tidal turbines are generally made of several materials. The multi-material assembly in marine environment arouse a lot of scientific issues. The water ageing of bonded assemblies increases the risk of failure at the interface between the bonded joint and the substrate (adhesive fracture). Only the fracture in the joint core (cohesive fracture) is taken into account by standards. The aim of this work is the addition of the adhesive failure in adhesively bonded joint design rules. Beyond the steps of the adhesive polymerisation conditions choice, the water ageing conditions choice and the identification of a material behaviour law dependent on the water concentration, particular attention was given to the study of the cohesive failure and the study of the adhesive failure. The critical strain energy release rate (GC) of the adhesive was calculated by means of TDCB tests, which a modification of the specimen was added to obtain cohesive failures for all ageing durations. Some numerical models allowed to obtain the GC evolution of the adhesive as function of the water concentration. The initiation of the interfacial (bonded joint/substrate), obtain by means of butt joint specimens, allowed to define and identify a stress initiation criterion. In addition, a test to propagate a crack on a single interface was developed and allowed to evaluate the interfacial critical strain energy release rate for various water concentrations. All developed tools allowed to develop a numerical model to predict the failure of adhesively bonded assemblies under water ageing with taking into account the adhesive failure.