Comportement en fissuration d’une colle thermoplastique pour application de joints de pales éoliennes

Fracture behavior of a thermoplastic adhesive for wind turbine blade joint applications

• Auteur / Autrice : Arnaud Coq
• Direction : Julie Diani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie, mécanique et énergétique
• Date : Soutenance le 06/02/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique des Solides (Palaiseau ; 1961-....) - Laboratoire de Mécanique des Solides / LMS
• Jury : Président / Présidente : Michel Corret
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julie Diani, Laurent Cangémi, Nicolas Carrère, Véronique Lazarus
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Cangémi, Nicolas Carrère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Rupture, Mécanique de la

Milieux continus, Mécanique des

Mots clés libres

Mécanique des milieux continus

Approche variationnelle

Simulations par éléments finis

Mécanique de la rupture

Continuum mechanics

Variational phase-Field formulations

Finite element simulations

Fracture mechanics

Résumé

Cette thèse aborde l'étude du comportement en fissuration d'un adhésif thermoplastique acrylique, développé dans le but de remplacer les adhésifs thermodurcissables de type époxy habituellement utilisés dans le collage de pâles éoliennes. Le travail s'inscrit dans une démarche globale de substitution des polymères thermodurcissables par des polymères thermoplastiques, en raison de leur capacité à être recyclés. Cependant une telle démarche vertueuse d’un point de vue environnemental doit s’appuyer sur une validation de la tenue mécanique des nouveaux polymères de substitution. Dans ce contexte, l’objectif du travail développé ici a été de caractériser expérimentalement la fissuration de la colle en masse et d’en proposer une modélisation numérique pour extraire un critère objectif de fissuration en mode d’ouverture. La démarche scientifique s’articule donc autour de deux axes principaux. Premièrement, une étude expérimentale a été menée pour déterminer le comportement de la colle et sa fissuration en mode d’ouverture par des essais DCDC (Double Cantilever Beam Test) et SENB (Single Edge Notch Bending) correspondant à des états de chargements différents. Deuxièmement, une modélisation numérique a été mise en place pour simuler l'endommagement de la colle en utilisant un comportement élasto-plastique. Deux approches d'endommagement ont été envisagées, l'une basée sur la théorie du champ de phase et l'autre sur les éléments cohésifs. Les résultats obtenus grâce à ces deux approches ont été confrontées aux résultats expérimentaux afin de déterminer les propriétés de fissuration du matériau. Cette recherche permet d'évaluer quantitativement la fissuration de la colle étudiée et plus largement d'étudier la caractérisation de la fissuration des polymères amorphes à l’état vitreux.

This thesis addresses the study of the cracking behavior of an acrylic thermoplastic adhesive, developed with the intention of replacing the commonly used thermosetting epoxy-type adhesives in the field of joints of turbine wind blades. The work is part of a broader initiative to substitute thermosetting polymers with thermoplastic polymers, due to their recyclability. However, such a virtuous approach from an environmental point of view must rely on the validation of the mechanical resistance of the new substitute polymers. In this context, the objective of the work developed here was to experimentally characterize the bulk adhesive fracture and to propose numerical modeling to extract an objective cracking criterion in opening mode. The scientific approach is therefore structured around two main axes. Firstly, an experimental study was conducted to determine the behavior of the adhesive and its fracture in opening mode by DCDC (Double Cantilever Beam Test) and SENB (Single Edge Notch Bending) tests corresponding to different loading states. Secondly, numerical modeling was established to simulate the damage of the adhesive using an elastoplastic behavior. Two damage approaches were considered, one based on the phase field theory and the other on cohesive elements. The results obtained through these two approaches were compared with experimental results to determine the material's cracking properties. This research allows for a quantitative estimate of the fracture properties of the studied adhesive and provide with a deeper understanding of the characterization of fracture of amorphous glassy polymers.