Développement d’un modèle de calcul simplifié d’un assemblage boulonné de carters composite tissé 3D et métallique soumis à un chargement fortement excentré

Developpement of simplfied model for 3D woven composite/metal- bolted joint preliminary design, subjected to highly eccentric loading

• Auteur / Autrice : Wafaa El Masnaoui
• Direction : Alain Daidié, Frédéric Lachaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICA - Institut Clément Ader - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Hervé Wargnier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christian Paleczny
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Alain Boucard, Laurent Gornet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites

Éléments finis, Méthode des

Mots clés libres

Modélisation simplifiée

Méthode des éléments finis

Assemblage boulonnés

Composite

Essais expérimentaux

Simplified modelling

Finite element method

Bolted joints

Composite

Experiments

Résumé

Parmi les innovations dans les turboréacteurs de nouvelle génération figurentles structures composites tissées 3D. Dans de nombreuses applications telle que la ligne des carters fan, ces structures sont assemblées à des pièces composites ou métalliques à travers des liaisons boulonnées. L’optimisation de ces interfaces est une des difficultés majeures rencontrées actuellement, car il n’existe pas de méthodes de conception simples pour le calcul de ces assemblages. En effet, leur dimensionnement s’appuie à l’heure actuelle sur des méthodes numériques 3D lourdes à mettre en place et des essais expérimentaux qui s’avèrent très coûteux.L’objectif de ces travaux de thèse est de développer une méthode simplifiée facilitant la conception initiale de l’assemblage dans une approche de pré dimensionnement.Afin de répondre à cette problématique, un modèle semi-analytique basé sur la méthode des éléments finis combinée à des formulaires analytiques de calcul des assemblages boulonnés a été développé. La modélisation de chaque pièce de l’assemblage est réalisée grâce à des éléments finis standards (poutre, barre, coque, ...). Ainsi, une nouvelle formulation del’élément coque orthotrope a été proposée. Le modèle permet d’analyser rapidement le comportement global de l’assemblage, à savoir la tenue des pièces assemblées, la tenue du boulon et les limites de décollement, suivant les critères de conception établis. Une validation du modèle a été réalisée grâce à des comparaisons avec des modèles éléments finis 3D et à des études paramétriques certifiant la réponse physique du modèle.Afin de comprendre le comportement réel de l’assemblage et d’augmenter le niveau devalidation du modèle semi-analytique développé, en disposant d’une base de validation expérimentale, une campagne d’essais à trois niveaux d’échelles a été mise en place. Des essais de caractérisation de la fixation qui ont permis d’identifier ses paramètres matériaux, un essai de traction sur bride monofixation dont la configuration est retranscrite sur le modèle semi-analytique et, finalement, un essai de traction sur brides trois fixations représentatives de la configuration existante sur les moteurs réels. La corrélation calcul-essais a permis de valider l’intérêt du modèle semi-analytique développé, en mettant en évidence un gainconsidérable en temps de calcul et une précision des résultats acceptable dans une logique de pré-dimensionnement.

The use of 3D woven composite structures is among major innovations integrated in the new generation of aircraft engines. In many applications such as the line of casing, these structures are assembled to composite or metal parts through bolted connections, the optimization of these interfaces is one of the major difficulties currently encountered because of the lack of simplified methods for the preliminary design and calculation of these connections. Indeed, their dimensioning is currently based on 3D Finite Element Models that are highly time-consuming and experimental tests which are proving to be very expensive.The main objective of this thesis is to develop a simplified method for the preliminary design of composite/metal bolted joints.In order to deal with this issue, a semi-analytical model based on the finite element method combined with analytical forms for the calculation of bolted joints was developed. The modeling of each part of the assembly is carried out using standard finite elements (beam, bar, shell,... ). Thus, a new formulation of the orthotropic shell element has been proposed.The developed model allows fast analysis of the overall behavior of the assembly, such as the assembled parts strength, the resistance of the bolt and the separation limits, according to the established design criteria. A validation of the model was carried out thanks to comparisons with 3D finite element models and thanks to parametric studies certifying the physical behavior of the model.In order to understand the real behavior of the assembly and to increase the level of validationof the semi-analytical model developed here, by having an experimental validation based data, three types of experimental tests have been carried out : tensile tests on the bolt that allowed its characterization and the identification of its material parameters, a tensile test on a singlefastening flange whose configuration is easily transcribed on the semi-analytical model and finally, a tensile test on three-fastening flanges which representing the assembly configuration on the real engines.The correlation between tests and computations approved the interest of the developed semianalytical model, by highlighting a considerable gain in computation time and an acceptable results accuracy in a preliminary design approach.