Caractérisation et modélisation du comportement en crash d'assemblages collés et hybrides

Characterisation and modelling of bonded and hybrid assemblies under crash loading

• Auteur / Autrice : Fanny Damême
• Direction : Franck Lauro, David Morin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France en cotutelle avec Université Norvégienne des sciences et Technologie de Trondheim
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Polytechnique Hauts-de-France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Automatique, de Mécanique et d'informatique Industrielles et Humaines
• Jury : Président / Présidente : Véronique Favier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Lauro, Patricia Verleysen, Duane Cronin, Benjamin Bourel, David Morin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Véronique Favier, Patricia Verleysen, Duane Cronin

Mots clés

Mots clés libres

Colle

Joint hybride

Modèle zone cohesive

Vitesse de déformation

Rupture

Adhesive

Hybrid joint

Cohesive zone model

Strain rate

Fracture

Résumé

Dans l'industrie automobile, le développement de nouveaux véhicules doit concilier de nombreuses exigences. En plus d'une amélioration continue du confort et de la sécurité, les coûts et temps de développement doivent être réduits tout en assurant une efficacité énergétique et en préservant l'environnement. Dans ce contexte, les assemblages collés sont de plus en plus utilisés dans les véhicules car les adhésifs de structure augmentent la raideur et l'absorption d'énergie des caisses en blanc tout en limitant l'ajout de masse. Pour estimer leur comportement dans une simulation de crash de véhicule complet, les joints collés sont modélisés grâce à des modèles macroscopiques. Cependant, pour avoir des modèles prédictifs, de longues et coûteuses campagnes expérimentales sont nécessaires ce qui n'est pas compatible avec les contraintes industrielles. Les constructeurs automobiles ont besoin d'une méthode alternative pour caractériser et modéliser le comportement des assemblages collés. Dans cette étude, une calibration virtuelle du modèle macroscopique est développée grâce au comportement d'une colle de structure époxy. Des essais simples sur colle massive en quasi-statique et à plusieurs vitesses de déformation sont menés pour alimenter un modèle d'assemblage collé appelé essai virtuel. Il repose sur un modèle éléments finis d'un essai Arcan intégrant un modèle phénoménologique de type élasto-viscoplastique avec de l'endommagement et un critère de rupture développé dans ce travail. Ce critère peut être calibré avec des essais simples et permet de prédire la rupture d'assemblages en intégrant une dépendance au mode de chargement du joint de colle. Pour vérifier le comportement et la rupture des essais virtuels, des essais Arcan expérimentaux sont menés dans trois directions et trois vitesses de chargement. Les résultats de ces essais virtuels sont ensuite utilisés comme cible par un algorithme d'optimisation pour la calibration du modèle macroscopique de la colle. Les énergies absorbées expérimentales et numériques sont calculées pour discuter et valider les résultats de la calibration virtuelle. Le développement de la méthode est renforcé par une approche expérimentale multi-échelles. Après les campagnes d'essais sur éprouvettes de colle massive et d'essais Arcan, des essais sur éprouvettes en croix et des essais de flexion sur sous-structures sont réalisés. Lors de ces essais, le joint est soumis à une sollicitation complexe, non uniforme qui représente mieux un crash de véhicule. Ces essais permettent aussi d'étudier les joints hybrides: association entre de la colle et un assemblage ponctuel (comme des points de soudure ou rivets auto-perçants). Le comportement des joints hybrides est examiné pour des chargements quasi-statiques et dynamiques. Ensuite, une modélisation macroscopique de ces assemblages est proposée et les résultats des corrélations des essais en croix et essais de flexion sur sous-structure sont détaillés et analysés. Pour les industriels, il est intéressant que la méthode soit applicable à un large choix de colles. Ainsi, la méthode développée est appliquée à une colle acrylique. Les mêmes essais sur colle massive sont réalisés pour alimenter les essais virtuels et des essais en croix sont effectués pour valider la calibration du modèle macroscopique. De par sa composition chimique, la colle acrylique a un comportement très différent de l'époxy. Cela permet de valider des hypothèses émises et de discuter des limites de la calibration virtuelle. Les différents résultats obtenus durant ce travail montrent que la calibration virtuelle est prometteuse. Le comportement des joints hybrides est prédictif en quasi-statique et à haute vitesse de déformation.

In automotive industry, the development of new vehicles must reconcile a number of requirements. In addition to improving safety and comfort, it is necessary to reduce costs and development phase while ensuring energy efficiency and environmental preservation. In this context, bonded assemblies are increasingly used because structural adhesives improve the stiffness and energy absorption of the body-in-white while significantly limiting the added weight. To estimate their behaviour in a full vehicle crash simulation, adhesive joints are modelled using macroscale models. However, to achieve predictive crash simulations, it requires long and costly testing campaigns, which are not compatible with industrial constraints. Automotive companies need alternative methods to characterise and model adhesive joint behaviour. In this work, a virtual calibration of adhesive macroscale model is developed based on structural epoxy adhesive behaviour. Simple bulk tests in quasi-static and at several strain rates provide inputs to virtual assembly tests, which are used to optimise the macroscale adhesive model parameters. The virtual assembly tests consist in a finite element model of an Arcan test using a phenomenological elasto-viscoplastic material model with damage and a failure criterion developed in this work. This proposed criterion can be calibrated with simple tests and can predict failure of assembly by including a dependency on the loading mode of the adhesive joint. To verify virtual tests behaviour and failure, experimental Arcan tests are conducted in three loading modes and three loading rates. The virtual tests results are used as target by the optimisation algorithm to calibrate adhesive macroscopic model. The absorbed energy of numerical and experimental Arcan tests are evaluated to validate the virtual calibration. The method development is supported by a multi-scale testing approach. After an experimental campaign on adhesive bulk specimens and Arcan tests, cross tests and large components 3 points bending tests are conducted. During these tests, the joint is subjected to a complex, non-uniform loading which is more representative of a vehicle crash. These last two tests also allow to study hybrid joints, combination of adhesive and one-off assembly (like spot weld bonded joints or rivet bonded joints). The behaviour of hybrid joints is investigated for quasi-static and dynamic loadings. Then, a macroscopic model to simulate their behaviour is proposed and the correlation results of cross tests and component tests are discussed. For industrial applications, it is interesting that the method can be applied to a wide range of adhesives. Therefore, the developed method is tested on an acrylic adhesive. The same bulk tests are conducted to provide virtual assembly tests, and cross tests are performed to validate the calibration. Due to its chemical composition, the acrylic adhesive exhibits a very different behaviour than epoxy adhesive. This allows the validation of the proposed hypotheses and discussion of the limitations of virtual calibration. The various results obtained during this work demonstrate that virtual calibration is promising. The behaviour of hybrid joints is predictive in both quasi-static and high strain rate conditions.