Méthodologie de prédiction de la tenue après impact de réparations aéronautiques composite par collage structural

Methodology for predicting the post-impact performance of composite aeronautical bonded repairs

• Auteur / Autrice : Emma Hillion
• Direction : Frédéric Lachaud, Eric Paroissien
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2025
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (EPE ; 2025-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICA - Institut Clément Ader
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés libres

Composite

Réparation

Collage

Tolérence aux dommage

Impact

Composite

Repairs

Adhesive bonding

Residual strength

Impact

Résumé

La thèse proposée s'inscrit dans le cadre du projet RepAero_COS_2. Une réparation structurale consiste généralement à enlever de la matière autour de la zone endommagée (fissure de fatigue, impact, corrosion...) puis à rajouter de la matière saine. Ce rajout de matière saine est réalisé par un assemblage. Les méthodes d'assemblage, dites classiques, sont le boulonnage, le collage et l'assemblage hybride (boulonné / collé). La matière saine rajoutée peut être réalisée dans un matériau différent de la matière initiale, menant à la présence d'interfaces multimatériaux (composite, métallique) qu'il s'agit de maîtriser. Aujourd'hui l'aviation civile n'a pas recours aux réparations collées pour des applications structurales. Pourtant le collage est une technologie d'assemblage qui offre des rapports tenue sur masse significativement plus élevés que la technologie d'assemblage par boulonnage. Les principaux verrous sont les suivants : (i) l'assurance que le collage a bien été réalisé et (ii) le dimensionnement d'un joint collé. Il n'existe pas aujourd'hui de norme permettant de dimensionner les assemblages collés, contrairement aux assemblages boulonnés. Le dimensionnement pose la question de la caractérisation du comportement mécanique (protocoles expérimentaux, type d'essais, etc...) permettant de définir des critères de tenue et les données d'entrée nécessaire à ces critères. De plus, il s'agit ensuite de définir les outils de calcul adaptés pour évaluer les critères de tenue sélectionnée. En termes de procédé de fabrication, il est aujourd'hui économiquement non viable et techniquement encore difficile d'assurer que les forces de d'adhésion et de cohésion ont bien été mise en œuvre lors de la réalisation du joint – contrairement au boulonnage pour lequel un simple contrôle visuel est souvent suffisant. Une action de coopération européenne (COST), baptisée CERTBOND, a été lancée au printemps 2019 afin de certifier les structures primaires collées. D'après [Baker et al. 2015] [Zhou et al. 2021], la certification des réparations collées structurales est rendue difficile du fait du manque de méthodes de contrôle non destructif (premier verrou). Quand, par exemple, des contraintes d'écoulement aérodynamiques sont à considérer, les réparations de type biseauté, ou en escalier, apparaissent comme idéales. D'un point de vue calcul, elles sont complexes et demandent un effort de modélisation expérimentale et numérique particulier, en particulier, du fait de la graduation de leurs propriétés (second verrou) [Orsatelli et al. 2023] [Orsatelli et al. 2024a-b]. Le projet RepAero_COS_2 s'inscrit principalement dans le second verrou du dimensionnement et fait suite au projet RepAero_COS_1 (thèse de Jean-Baptiste Orsatelli). Les deux problématiques majeures identifiées post réparation concernent la prédiction de : • la tenue nominale (statique, fatigue, durabilité). • la tenue en environnement sévère (vulnérabilité, impact, crash). L'objectif commun à ces deux problématiques consiste alors à définir des méthodologies de prédiction de tenue nominale et à l'épreuve du temps. 2. OBJECTIFS Le projet RepAero_COS_2 vise à terme à développer une plateforme d'essais expérimentaux et numériques pour la prédiction de la tenue après impact de réparations collées composites. Cette plateforme intégrera en particulier une méthodologie, à développer en amont et applicable en bureau d'études, de prédiction robuste de la tenue après impact de réparations collées composites. Dans le cadre de ce projet, les impacts basse vitesse (quelques m.s-1) basse énergie (200 J maximum) représentatifs d'impacts d'outils en atelier ou de grêlons seront considérés. Afin de prédire une tenue, il est nécessaire d'évaluer un critère calculé et de le comparer à une valeur de conception mesurée. Les formes de critère doivent être définies théoriquement et/ou expérimentalement et peuvent être pondérées par des retours d'expérience en service. Les admissibles sont mesurés expérimentalement en lien avec les critères définis. Pour estimer les critères, il est nécessaire de disposer d'outils de calcul alimentés par des données d'entrée. Ces données d'entrée sont les propriétés géométriques, matérielles et les conditions aux limites. Une méthodologie de prédiction comprend alors l'ensemble de cette démarche, soit les deux volets (i) le comportement mécanique (essais expérimentaux et modélisation du comportement) et (ii) la simulation numérique (modélisation et essais numériques). Deux scénarios génériques sont considérés lors de l'impact : soit la réparation collée est chargée en tension soit la réparation n'est pas chargée en tension. Les tenues après impact considérées sont les tenues en statique. Le scénario d'impact multiples et la tenue résiduelle en fatigue sont vus dans le cadre ce projet comme des ouvertures possibles et seront abordés en tant que tels. Le premier objectif associé à ces travaux en amont est de comprendre le comportement mécanique jusqu'à la ruine de réparations collées composite impactés sous chargement statique. Différents scénarios d'impacts pourront être définis et testées. L'approche consistera en la réalisation d'essais expérimentaux et d'essais numériques. L'approche duale numérique et expérimentale considérera à la fois différents niveaux de modélisations, des plus simples au plus riches (échelle pyramidale), et différentes géométries d'éprouvettes, des plus simples à fabriquer à la géométrie cible. Le second objectif est de proposer, en tout état de conscience et avec un certain niveau de représentativité, des modélisations dégradées ou simplifiées, à schéma de résolution éventuellement dédié, comme la modélisation par macro-élement [Paroissien et al. 2022] [Schwartz et al. 2024a-b]. L'analyse des prédictions issues des différentes modélisations permettra de qualifier leur fidélité au regard de la réalité physique. Sur la base d'un choix de modèles prédictifs adéquats supporté par l'analyse précédente, le troisième objectif est alors la recherche de solutions de conception optimale ou de solutions de réparation innovantes : formes non conventionnelles ou graduées des patchs et orientation des plis. Ces modélisations dégradées pourront aussi être utilisées pour prédire une tenue en fonction (i) des incertitudes géométriques, matérielles et (ii) de chargement ainsi que de fournir un niveau de confiance dans le design proposé (cela pourrait aider à la certification). L'aspect innovant réside dans l'approche proposée pour assurer la robustesse des prédictions de tenue après impact : graduation duale maîtrisée entre richesse des modélisations et fidélité de la représentativité physique. Le concepteur en bureau d'étude pourra choisir en fonction des caractéristiques matériaux le type de modélisation et niveau de fidélité. De plus, il pourra concevoir des essais expérimentaux à l'aide du jumeau numérique du banc d'essai augmenté des modélisations du comportement mécanique. Le premier résultat attendu est une plateforme d'essais expérimentaux et numériques pour la tenue après impact de réparations collées composite ; autrement dit, un banc d'essai expérimental jumelé à un environnement numérique permettant la conception et le traitement des essais expérimentaux. L'environnement numérique pourra être enrichi au fur et à mesure des études réalisées sur cette plateforme. Le second résultat attendu est la description et la compréhension des mécanismes d'endommagement jusque rupture. Le troisième résultat attendu est de permettre l'identification, en fonction du besoin exprimé en termes de fidélité à la réalité physique, des modélisations et essais de caractérisation expérimentale nécessaires pour alimenter les modèles. En corollaire, des géométries d'éprouvettes simplifiées mais représentatives de la réparation réelle pourraient être définies. Le quatrième résultat attendu est la proposition de solutions de réparations innovantes.

RepAero_COS_2 project aims to ultimately develop an experimental and numerical testing platform for predicting the post-impact strength of composite bonded repairs. This platform will in particular integrate a methodology, to be developed upstream and applicable in design offices, for robust prediction of the post-impact strength of composite bonded repairs. As part of this project, low-speed (a few m.s-1) low-energy (200 J maximum) impacts representative of workshop tool impacts or hailstones will be considered. In order to predict a resistance, it is necessary to evaluate a calculated criterion and compare it to a measured design value. The criterion forms must be defined theoretically and/or experimentally and can be weighted by feedback from in-service experience. The admissible values are measured experimentally in relation to the defined criteria. To estimate the criteria, it is necessary to have calculation tools supplied with input data. These input data are the PhD OFFER geometric and material properties and the boundary conditions. A prediction methodology then includes this entire approach, i.e. the two components (i) mechanical behavior (experimental tests and behavior modeling) and (ii) numerical simulation (modeling and numerical tests). Two generic scenarios are considered during the impact: either the bonded repair is loaded in tension or the repair is not loaded in tension. The post-impact resistances considered are the static resistances. The multiple impact scenario and residual fatigue resistance are seen in this project as possible openings and will be addressed as such. The primary objective of this preliminary work is to understand the mechanical behavior up to failure of impacted composite bonded repairs under static loading. Different impact scenarios can be defined and tested. The approach will consist of both experimental and numerical tests. The dual numerical and experimental approach will consider both different levels of modeling, from the simplest to the most complex (pyramidal scale), and different specimen geometries, from the simplest to the target geometry. The second objective is to propose, with full awareness and a certain level of representativeness, degraded or simplified models, possibly with a dedicated resolution scheme, such as macro-element modeling [Paroissien et al. 2022] [Schwartz et al. 2024a-b]. The analysis of the predictions from the various models will allow us to assess their accuracy with respect to physical reality. Based on a selection of appropriate predictive models supported by the previous analysis, the third objective is to seek optimal design solutions or innovative repair solutions: unconventional or graduated patch shapes and fold orientation. These degraded models can also be used to predict strength based on (i) geometric and material uncertainties, and (ii) loading, as well as to provide a level of confidence in the proposed design (this could aid in certification). The innovative aspect lies in the proposed approach to ensuring the robustness of impact strength predictions: a controlled dual gradation between richness of models and accuracy of physical representation. The design office designer will be able to choose the type of modeling and level of accuracy based on material characteristics. In addition, they will be able to design experimental tests using the digital twin of the test bench augmented by mechanical behavior models. The first expected result is a platform for experimental and digital testing for the post-impact resistance of composite bonded repairs; in other words, an experimental test bench combined with a digital environment allowing the design and processing of experimental tests. The digital environment could be enriched as studies are carried out on this platform. The second expected result is the description and understanding of the damage mechanisms up to rupture. The third expected result is to enable the identification, based on the need expressed in terms of fidelity to physical reality, of the models and experimental characterization tests necessary to feed the models. As a corollary, simplified specimen geometries but representative of the real repair could be defined. The fourth expected result is the proposal of innovative repair solutions.