Méthodologie de prédiction de la tenue nominale de réparations composites aéronautiques par collage structural

Design methodology for strength assessment of aerospace composite bonded repairs

• Auteur / Autrice : Jean-Baptiste Orsatelli
• Direction : Frédéric Lachaud, Eric Paroissien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 29/11/2024
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe Matériaux et Structures Composites (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Nassiet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Lachaud, Eric Paroissien, Lucas F. M. Da Silva, David Thévenet, Nathalie Barrière, François-Xavier Irisarri, Stéphane Guinard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lucas F. M. Da Silva, David Thévenet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Analyse dimensionnelle

Éléments finis, Méthode des

Composites

Mots clés libres

Stepping

Composites

Elements-Finis

Macro-Éléments

Dimensionnement

Endommagement

Stepped repair

Composites

Finite elements

Macro Elements

Design

Damage

Résumé

Les réparations composites collées apportent plusieurs avantages par rapport aux réparations assembléesmécaniquement à l’aide de boulons ou de rivets. Elles évitent de réaliser des perçages et permettentde réduire la masse additionnelle liée à la réparation. L’emploi de ce type de réparation estaujourd’hui limité aux pièces non structurales, en l’absence (i) de méthode permettant de contrôler laréalisation d’un collage structural et (ii) de méthodologie de dimensionnement standard pour prédirela tenue d’un assemblage collé. Cette thèse propose d’étudier la question du dimensionnement de réparationscollées au travers d’une approche expérimentale et numérique multi-échelles afin d’étudierla fidélité de plusieurs niveaux de modélisation vis-à-vis du comportement observé en essai. Le casd’application étudié est celui d’une réparation de type stepping, sur une structure en tissu carboneépoxyde 8 plis d’épaisseur, représentative d’une peau d’hélicoptère Tigre.Une campagne d’essai a été réalisée pour caractériser le comportement des stratifiés compositesutilisés : le G939/M18 de la structure à réparer et le G939/Hexbond 312-L du patch de réparation. Lesdeux matériaux étant faits du même tissu G939, la matrice d’essais a été réduite pour limiter le nombretotal d’essais. Leurs comportements intralaminaire et interlaminaire ont été étudiés. Des essais de fissurationde fibre ont également été réalisés pour identifier une énergie de fissuration en vue d’alimenterdes modèles d’endommagement progressif.Une étude comparative de différents niveaux de modélisation a été menée. Une méthode de résolutionsemi-analytique a été proposée pour le calcul d’un joint en stepping avec un comportement enmembrane des substrats et une loi d’endommagement de l’adhésif de type bilinéaire. Ce type de résolutionrépond au besoin de modélisation à faible coût pour ce type de problème. Une matrice d’essaisnumériques a été proposée, incluant six modèles macro-éléments et éléments finis différents d’unemême réparation en stepping, testés sur une large gamme de longueurs de step et de ténacité d’adhésifs.Il a été montré qu’un modèle de joint équivalent en 2D déformations planes généralisées est une bonneapproximation d’un modèle 3D complet pour le comportement en traction d’une réparation en stepping,en termes de tenue à rupture de l’adhésif et des substrats.Des essais technologiques ont été menés sur des éprouvettes réparées à l’échelle du coupon et dupanneau, avec différents drapages de réparations, longueurs de steps, et profondeurs de dommage. Undialogue essais-calculs a été proposé avec les modèles 3D et 2D déformations planes généralisées, alimentéspar les propriétés matériaux identifiées lors des essais de caractérisation. Les modèles proposéssont représentatifs du comportement des réparations en termes de raideur et d’effort à rupture sur lagamme de configurations testées sauf dans le cas de steps courts sur des éprouvettes de type couponstraversants. Le comportement d’une réparation à la frontière entre le décollement et la rupture dessubstrats reste à étudier. Les scénarios d’endommagement numériques sont compatibles avec les facièsde rupture observés, mais des essais multi-instrumentés ou interrompus seraient nécessaires pour validerle scénario d’endommagement complet. Les modèles développés ont enfin été automatisés grâceà une macro paramétrique et appliqués au dimensionnement d’un cas industriel de réparation et à larecherche de designs optimaux.

Bonded composite repairs offer several advantages over mechanically fastened repairs using bolts.They eliminate the need for drilling and reduce the additional weight of the repair. The use of thistype of repair is currently limited to non-structural parts due to the lack of (i) a method for controllingthe production of a structural bond and (ii) a standard design method for predicting the strength of abonded assembly. This thesis proposes to investigate the issue of design of bonded repairs using amulti-scale experimental and numerical approach to investigate the fidelity of multiple levels of modelling.The application case studied is that of a stepped repair on an 8-layer carbon-epoxy fabric structure,representative of a Tiger helicopter skin.A test campaign was carried out to characterise the behaviour of the composite laminates used:the G939/M18 of the structure to be repaired and the G939/Hexbond 312-L of the repair patch. Asboth materials are made from the same G939 fabric, the test matrix was reduced to limit the totalnumber of tests. Their intralaminar and interlaminar behaviour was investigated. Fibre crack testswere also carried out to determine a crack energy to feed progressive damage models.A comparative study of different levels of modelling was carried out. A semi-analytical resolutionmethod was proposed for the calculation of a stepping joint with a membrane behaviour of the substratesand a bilinear damage law for the adhesive. This methode meets the need for low-cost modellingfor this type of problem. A matrix of numerical tests was proposed, including six different macroelementand finite-element models of the same stepping repair, tested over a wide range of step lengthsand adhesive toughness. It was shown that a 2D generalized plane deformation equivalent joint modelis a good approximation to a full 3D model for the tensile behaviour of a stepped repair, in terms ofadhesive and substrate fracture toughness.Technological tests were carried out on repaired specimens at coupon and panel scales, with differentrepair drapes, step lengths and damage depths. A test-calculation dialogue has been proposedwith 3D and 2D generalised plane deformation models, fed by the material properties identified duringthe characterisation tests. The models developed are representative of the behaviour of repairs interms of stiffness and stress at failure over the range of configurations tested, except in the case ofshort steps on through-cut type specimens. The behaviour of a repair at the boundary betweendebonding and substrate failure remains to be investigated. The numerical damage scenarios are compatiblewith the observed fracture surfaces, but multi-instrument or interrupted tests would be necessaryto validate the complete damage scenario. Finally, the models developed have been automatedusing a parametric macro and applied to the dimensioning of an industrial repair case and to the searchfor optimal designs.