Academic literature on the topic 'Assemblages collés – Essais dynamiques'

L’étude présentée s’inscrit dans la suite de travaux effectués lors de différents projets au sein de différents laboratoires concernant le développement d’un essai d’adhésion par choc laser. Le but est de développer une méthode d’évaluation des propriétés mécaniques après choc laser d’un assemblage collé. Il ne s’agira donc pas d’évaluer un niveau d’adhésion à l’aide du choc laser, mais de considérer et d’évaluer l’influence éventuelle d’un choc laser sur les propriétés mécaniques d’un assemblage. Cette étude ne concerne donc que des assemblages sains dont il conviendra d’évaluer les propriétés mécaniques avant et après choc, pour différentes amplitudes dans la gamme de pression usuelle de la méthode LASAT (LASer Adhesion Test). Cette caractérisation d’assemblages passe par le choix d’une méthode adaptée aux joints de colle, capable de prendre en compte les spécificités liées à la géométrie du substrat, mais aussi de générer un champ de contraintes souhaité. La méthode retenue est l’essai mécanique ARCAN, capable d’évaluer la tenue d’un assemblage collé sous sollicitations quasi-statiques, en traction, en cisaillement ou mixtes. En outre, l’essai ARCAN permet l’identification de lois de comportements des joints de colle. De même, il est possible de caractériser les lamelles composites dans leur comportement hors plan. Ce travail a été réalisé à l’Institut de recherche Dupuy de Lôme (IRDL), sur le site de l’ENSTA Bretagne (Brest), en partenariat avec Engie Ineo dont l’activité, la construction de radômes en matériaux composites, est concernée par les questions de contrôle des assemblages collés. Ces travaux ont aussi été l’occasion d’une collaboration avec le CEA DAM DIF qui a mis à disposition le code de simulation d’interaction laser - matière ESTHER
The study presented follows on from the work carried out during different projects in different laboratories concerning the development of a laser shock adhesion test. The goal is to develop a method for evaluating the mechanical properties after laser impact of a bonded assembly. It will therefore not be a question of evaluating a level of adhesion using laser shock, but of considering and evaluating the possible influence of a laser shock on the mechanical properties of an assembly. This study therefore only concerns healthy assemblies, the mechanical properties of which should be evaluated before and after impact, for different amplitudes in the usual pressure range of the LASAT method (LASer Adhesion Test). This characterization of assemblies involves the choice of a method suitable for adhesive joints, capable of taking into account the specificities linked to the geometry of the substrate, but also of generating a desired stress field. The method adopted is the ARCAN mechanical test, capable of evaluating the resistance of a bonded assembly under quasi-static stresses, in tension, in shear or mixed. In addition, the ARCAN test allows the identification of behavioral laws of adhesive joints. Likewise, it is possible to characterize the composite lamellae in their out-of-plane behavior. This work was carried out at Institut de Recherche Dupuy de Lôme (IRDL), on ENSTA Bretagne site (Brest), in partnership with Engie Ineo whose activity, the construction of radomes in composite materials, is concerned with questions of control of bonded assemblies. This work was also the occasion of a collaboration with the CEA DAM DIF which made available ESTHER laser - material interaction simulation code

L’appréciation de la tenue mécanique des structures collées a fait l’objet de nombreux travaux ces dernières années dont la majorité a porté sur des structures en aluminium ou en acier non revêtu. Cette tenue, généralement testée par un essai de cisaillement sur éprouvette à simple recouvrement, est le plus souvent considérée sous un seul aspect soit chimique, soit physicochimique, soit encore mécanique. Le joint collé étant constitué en fait des substrats, de la colle et des différentes interfaces et interphases, il nous a paru nécessaire de conjuguer plusieurs techniques afin de cerner le problème sous tous ses aspects. D’un point de vue pratique, le support de cette étude est la tôle d’acier galvanisée qu’est un matériau très largement employé depuis de nombreuses années dans les domaines de la construction et de la mécanique en particulier. Cependant, malgré son image traditionnelle, ce produit évolue de façon spectaculaire : progressivement, ses propriétés mécaniques et sa résistance à la corrosion s’améliorent grâce à des procédés techniques nouveaux ou à des additions d’éléments d’alliages, et des traitements chimiques superficiels développent chaque jour la proportion de tôles qui entrent en fonction dans de nombreux domaines. L’aptitude au collage de ce matériau dépend semble-t-il en grande partie de sa composition chimique superficielle et de sa rugosimètrie que l’on cherche à optimiser par différents traitements. Ce travail comporte une première partie portant sur une étude bibliographique critique des différents essais mécaniques relatifs aux assemblages collés ainsi que les divers paramètres pouvant influer sur les caractéristiques mécaniques à mesurer. Une deuxième partie est consacrée à l’étude de l’influence des différents paramètres constituant le joint sous deux types de sollicitation basée sur la R. D. M. Classique (traction et cisaillement). Enfin une troisième partie traite de l’application de la mécanique de la rupture aux structures collées, ainsi que l'utilisation et du traitement des signaux d’émission acoustique.

Le collage structural est une technique d’assemblage de plus en plus demandée aujourd’hui dans beaucoup de domaines comme l’automobile, l’aéronautique, l’aérospatial, l’industrie navale et ferroviaire. La qualité d’un adhésif est un important paramètre pour garantir la fiabilité et la durabilité d’un assemblage collé. On sait qu’une fausse conception d’un joint collé, un mauvais choix d’adhésif ou même un traitement de surface mal réalisé pourra avoir des conséquences spectaculaires voire dramatiques. En termes de performance, l'ajout de nanoparticules à base de carbone à l'adhésif peut contribuer à améliorer les performances des assemblages collés. Dans cette étude, des adhésifs renforcés par trois types de nanacharges sont développés. En effet, l'adhésif DGEBA a été renforcé avec des nanotubes de carbone (CNT), des nanoplaquettes de graphène (GNP) et du noir de carbone (CB) avec différentes fractions massiques (1wt.%, 2wt.% et 5wt.%). L'objectif global est l'étude de l'influence du type, de la fraction massique et des dimensions des nanocharges sur le comportement mécanique de la colle et de l’assemblage collé. Les résultats ont montré que chaque type d'adhésif renforcé par des nanocharges possède un bon potentiel en termes de comportement mécanique sous des sollicitations statiques et dynamiques. Cependant, la présence d'une fraction massique élevée de nanoparticules a tendance à entraîner une dégradation par rapport à l'adhésif pur en raison du changement de morphologie de la microstructure et des interactions physico-chimiques. Et afin de quantifier la résistance à l’endommagement de l’adhésif dopé par des nanocharges et démontrer la compatibilité de l'adhésion avec divers substrats, des essais DCB et ENF ont étaient réalisés sur des assemblages Aluminium/aluminium et Composite/composite. De plus, des modèles numériques avec prise en compte de l’endommagement de la colle dopée ont été développés et validés avec les résultats expérimentaux. Cette étude démontre que le type, la fraction massique, la taille et la forme des nanocharges jouent un rôle important dans l'amélioration des performances des assemblages collés
Adhesively bonded joint is a joining technique that is increasingly in a request today in many fields such as the automotive, aerospace, and naval. The adhesive selection is an important parameter to guarantee the reliability and durability of an adhesively bonded joint. It is well known that the wrong design of a bonded joint, the wrong choice of adhesive, or even a poorly executed surface treatment can have dramatic consequences. In terms of performance, the incorporation of carbon-based nanoparticles into the adhesive improves the performance of bonded joints. In this study, DGEBA adhesive doped by three kinds of nanofillers is established. Indeed, the adhesive has been doped with carbon nanotubes (CNT), graphene nanoplatelets (GNP), and carbon black (CB) with different mass fractions (1wt.%, 2wt.%, and 5wt.%). The overall objective is to study the influence of the type, mass fraction, and dimensions of the nanofillers on the mechanical behavior of the adhesive and the bonded joint. The results showed that each type of adhesive reinforced with nanofillers has a good potential in terms of mechanical behavior under static and dynamic loadings. However, the presence of a high mass fraction of nanoparticles tends to lead to degradation compared to the neat adhesive due to the transformation in microstructure morphology and physicochemical interactions. In addition, to quantify the damage resistance of the nanofiller-doped adhesive and demonstrate the adhesion compatibility with various kinds of substrates; DCB and ENF tests were performed on aluminum/aluminum and composite/composite bonded joints. Besides, numerical models taking into account the damage of the doped adhesive were developed and validated with the experimental results. This study demonstrates that the type, mass fraction, size, and shape of nanofillers play an important role in improving the performance of the adhesively bonded joints

Ce travail vise le développement d’une méthode non destructive permettant de contrôler la qualitémécanique des joints collés aéronautiques, en utilisant les ondes de choc générées par impact laser (projetENCOMB). Des chocs ont été réalisés à l’aide de dispositifs tels que des sources laser ou des canons à gaz.Différents diagnostiques ont été utilisés : le VISAR, la VH, la visualisation transverse, la microscopie optiqueet confocale, la radiographie X, le contrôle ultrasons...Des échantillons de résine et des compositesstratifiés carbone/époxy ont d’abord été étudiés. Des chocs laser instrumentés, couplés à des analysespost-mortem, ont permis une meilleure compréhension des phénomènes de choc dans ces matériaux. Lesrésultats obtenus sur les assemblages composites collés montrent que la technique de choc laser permetde discriminer différents degrés d’adhérence. L’utilisation de modèles numériques, développés grâce auxdonnées expérimentales, a permis d’analyser la propagation du choc dans ces assemblages complexes. Cesrésultats ont démontré la nécessité d’optimiser la technique, afin de tester exclusivement l’adhérence dujoint collé, sans endommager les composites de l’assemblage. Plusieurs solutions d’optimisation sontproposées tels que l’utilisation d’une impulsion variable, ou celle de double chocs. Ces solutions ont étévalidées expérimentalement et l’optimisation numérique a fourni les paramètres de choc pour de futurstests. Finalement, ce travail fournit des résultats originaux sur le comportement dynamique de compositesstratifiés et permet de progresser vers l’adaptation du test d’adhérence par choc laser à différentsassemblages composites
This work aims the development of a non-destructive technique to control the mechanical quality ofaeronautics adhesive bonds (ENCOMB project). Shocks were realized by use of laser sources or gas gun, anddifferent techniques were used to analyse the shocks such as: VISAR, PDV, Shadowgraphy, optical andconfocal microscopy, X-ray radiography, ultrasound testing…Epoxy resins and carbon/epoxy compositelaminates were first investigated. Monitored laser shocks, in addition to post-mortem analyses, enabled tobetter understand the shock phenomenon on these complex materials. The results obtained on bondedcomposite showed that the laser shock technique can be used to discriminate different adherence levels.The use of numerical models, developed thanks to the experimental data, enabled to analyze the shockpropagation in these complex assemblies. They also evidenced the need for optimization, in order to testonly the bond interface and not to break the composite parts on the assembly. Several optimizationsolutions are formulated such as the use of tuneable pulse duration, or double shock configurations. Someof these solutions have been experimentally validated, and the numerical optimization gives the shockparameters to use for the next experimental campaigns. Finally, this work provides original results on thedynamic behaviour of composite materials under laser shock and leads to the adaptation of the laser shockadhesion test to any kind of bonded composite assemblies

Nous avons développé une méthode d'essais permettant de caractériser le comportement à rupture d'une jonction collée sur une large gamme de vitesse. L'éprouvette de rupture M. M. F. (mixed mode flexure) est utilisée sur cette gamme. Nous mettons en évidence des régimes de fonctionnement de l'éprouvette différents selon la vitesse. Nous avons réalisé deux séries d'essais (éprouvette chargée en flexion à 0. 5mm/mn et à 0. 6m/s) pour lesquelles l'éprouvette est en équilibre avant sa rupture. Des calculs par éléments finis permettent d'analyser finement le comportement mécanique de l'éprouvette, montrent que le joint collé est sollicité en mode mixte et que le comportement de l'éprouvette est modifié par une plastification en pointe de fissure. Néanmoins, un calcul analytique est suffisant pour déterminer le taux de restitution d'énergie critique Gc. Lorsque l'éprouvette est sollicitée par l'impact d'une bille d'acier projetée à 200m/s, l'équilibre mécanique n'est pas atteint au moment de la rupture. Nous avons eu recours a la simulation numérique par éléments finis pour interpréter nos essais. Les résultats de celle-ci sont en accord avec l'expérience et permettent donc le calcul de Gc. Il a également été montré que le joint collé est maintenant sollicité en mode II pur. L'ensemble de ces essais met en évidence une augmentation de la ténacité des jonctions collées avec la température et la vitesse

Le dimensionnement des joints collés est une préoccupation majeure du CNES pour lesapplications spatiales des futurs lanceurs. Pour dimensionner une structure collée, il est nécessaire depouvoir apprécier les caractéristiques mécaniques du joint collé.Dans cette étude, trois adhésifs structuraux ont été sélectionnés (Hysol®EA 9321, Hysol®EA9394 et Hysol EA® 9395). Après leur caractérisation massique, une étude statistique pour mettre enévidence les effets des différents paramètres (vitesse d’essai, géométrie éprouvette, le degré depolymérisation…) a été entreprise.La deuxième étape a pour objectif de fiabiliser l’analyse des essais de fissuration etd’améliorer la compréhension des mécanismes d’endommagement et de propagation de fissure dansles liaisons collées. Trois types d’essai ont été utilisés, à savoir, l’essai Double Cantilever Beam(DCB), pour l’étude du mode I, l’essai End Notched Flexure (ENF), pour le mode II, et l’essai MixedMode Bending (MMB), pour les chargements en mode mixte I/II. Nous avons développé de nouvellesinstrumentations et méthodologies d’analyse. Pour affiner le protocole de test standard, la techniquedite de « backface strain monitoring » a été utilisée. Elle consiste à positionnées des jauges dedéformation sur les surfaces de l’éprouvette de façon à enregistrer l’évolution du signalextensométrique durant la propagation de la fissure. Cette méthode permet une meilleure estimation dela position front de fissure ainsi que l'étude de la répartition des contraintes le long du joint de colle.La corrélation d'images numériques (DIC) a également été utilisée afin de proposer un nouveauprotocole de calibrage de la longueur de fissure et pour comparer un modèle analytique (poutre deTimoshenko sur fondation élastique) avec les résultats expérimentaux
Adhesive bonding is being strongly considered in space applications CNES as anadvantageous assembly technique for future launchers. Correct design of adhesive joints is of majorconcern. Aerospace adhesives are tough viscoelastic matrices (special epoxy resins) reinforced withnano-, or microparticles. Extended use of adhesive joints in structural applications is limited due to thedifficulties in predicting in-service performance, frequently leading to over-conservative design.Three structural adhesives (Hysol®EA 9321, Hysol®EA 9394 and Hysol®EA 9395) wereselected. After their bulk characterization, statistical studies to highlight effects of different parameterse.g. speed, test piece geometry, degree of polymerization were undertaken.In the second stage, fracture mechanics tests were effected employing: the double cantileverbeam (DCB) configuration (mode I characterisation), the three point bending end-notched flexure(ENF) (mode II) and the mixed-mode bending (MMB) (combined mode I/II loading). Crack growth inbonded joints was investigated in a novel way. To refine standard test protocol, the backface strainmonitoring technique was used. Strain gauges were used to measure the strain on the exposed skin ofthe adherends during crack onset and propagation. This method allows better estimation of the crackfront position as well as fine investigation of the stress distribution along the bondline and in the crackfront vicinity. Digital image correlation (DIC) was also used to compare analytical models, e.g.Timoshenko beam on elastic foundation model with experimental results

Ce résumé ne figure pas dans la thèse elle même. Nous reprenons ici celui présent dans le formulaire d'enregistrement de thèse soutenue : Parmi les trois chapitres de cette thèse, le premier est consacré à une étude bibliographique sur la durabilité des assemblages collés. Il décrit notamment les principaux modèles d'endommagement et les méthodes d'optimisation permettant d'identifier les paramètres du modèle. Le second chapitre présente la théorie prévisionnelle retenue ainsi qu'une étude paramétrique pour mieux cerner la signification physique des coefficients du modèle. Le dernier chapitre confronte les simulations théoriques avec différentes campagnes expérimentales. Une approche inverse est d'abord mise en oeuvre pour identifier les paramètres théoriques dans le cas d'assemblages collés sollicités en traction ou en cisaillement. La même approche est ensuite utilisée pour identifier le comportement en fluage d'assemblages soumis à un vieillissement accéléré. Les valeurs des paramètres correspondants aux états initiaux et vieillis sont enfin analysées à la lumière des évolutions microstructurales du joint adhésif.

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse porte sur le comportement élastique et élasto-plastique des assemblages par brides circulaires boulonnées utilisés dans la construction métallique. L’objectif de ce travail est de fournir des méthodes pratiques permettant d’évaluer la résistance statique et les concentrations de contrainte au droit des détails de fatigue de ce type d’assemblage. Afin de couvrir au mieux la gamme d’assemblages par brides circulaires utilisés dans la construction, trois configurations ont été analysées : les tronçons en L soumis à un effort normal de traction, les assemblages par brides circulaires soumis à un effort normal de traction et les assemblages soumis à un moment fléchissant. Ces trois types d’assemblages sont étudiés expérimentalement, numériquement et théoriquement respectivement dans les chapitres II, III et IV. Le contact entre brides adjacentes a été analysé avec précision en se référant à un modèle poutre développé dans le chapitre ITout d’abord, une campagne d’essais a été effectuée pour chaque configuration d’assemblage afin d’étudier leur comportement dans les domaines élastique et élasto-plastique. Une attention particulière est accordée à l’analyse de l’influence du serrage des boulons et des défauts de planéité sur le comportement élastique, et notamment sur les étendues de contraintes au pied du cordon de soudure et dans les boulons tendus nécessaires à tout calcul de la résistance à la fatigue. Chaque essai est conduit jusqu’à la ruine afin de bien évaluer la résistance statique de l’assemblage. Un modèle numérique, basé sur le code de calcul par éléments finis ANSYS, utilisant des éléments volumiques et de contact a été développé pour chacun des trois types d’assemblage. Les résultats des analyses numériques ont été confrontés aux résultats des essais. Une fois ce modèle numérique validé, il a servi à des études paramétriques afin de compléter les résultats expérimentaux obtenus, et de mettre en avant certains traits de comportement qui n’ont pas pu être observés lors des essais, par exemple l’évolution des zones de contact. Des modèles analytiques sont proposés pour rendre compte du comportement de ces assemblages dans le domaine élastique afin d’évaluer, d’une part les étendues de contraintes au droit des détails de fatigue, et d’autre part la rigidité des assemblages. De plus, dans le but d’évaluer la résistance statique de ces assemblages, des modèles analytiques sont également proposés en se fondant sur l’analyse limite. Les effets du contact entre brides adjacentes sont toujours pris en compte. Des méthodes pratiques de calcul sont ensuite déduites de ces modèles analytiques. Enfin les résultats obtenus à partir de ces méthodes sont comparés à ceux des essais et des études paramétriques
This thesis deals with the elastic and elasto-plastic behaviour of bolted circular flange joints used in steel structures. The aim of the work is to provide practical design methods for determining the static resistance of such flange joints as well as the stress concentration factors for the parts which are fatigue sensitive which are the tube wall at the weld toe and the bolts. In order to be able to cover the range of joint sizes that one finds in construction, three joint configurations were studied: L stubs under an axial load in the stem, flange joints with an axial applied to the connected tube and flange joints submitted to bending moments. The experimental, numerical and theoretical studies carried out on the three joint configurations are the subjects of chapters II, III and IV of the thesis. In chapter I the phenomena of surface contact between the adjacent flanges is clarified by a specially developed beam model whose validity is supported by the results from a finite element model including contact elements. To begin with a programme of tests was carried out for each of the joint configurations so as to obtain knowledge of their elastic and elasto-plastic behaviours and the results obtained are presented and discussed. Particular attention was paid to the study of the influence of bolt preloading and of out-of-plane imperfections of the flange surfaces on the elastic behaviour, in particular in relation to the tube wall stresses ranges at the weld toe and to the loading in the bolts which is essential information required for determining the fatigue life of those components. Since each specimen was loaded to failure, an experimental evaluation of the joint’s static resistance finally obtained. Using the ANSYS code, finite element models with brick elements and contact elements were developed for each of the joints configurations. The results from the finite element analyses were compared favourably with the test results both from the present testing but also from available published work. Thus validated, the finite element models were used to carry out parametric studies with the purpose of not only supplementing the experimental results but also to bring more light on certain aspects of the joint behaviour which could not be examined in sufficient detail during the test programme, such as the evolution of the contact zone with loading. Theoretical models were developed to describe the joint configuration behaviour in the elastic range, both for providing the stress concentration factors for the fatigue sensitive components and for estimating the joint stiffness. In order to determine the static resistances of flange joints, under axial load or under moment, theoretical limit state models are derived. The predictions of the joint behaviour and resistance models provide satisfactory results when compared to results both experimental and by finite element analyses. In all of the latter models the influence of contact is taken into account. Finally, based on the latter theoretical models, practical methods for determining design values of resistances of flange joints, under axial load, moment or a combination of moment and axial load, are proposed

L'utilisation encore récente des structures tubulaires en matériaux composites pose des problèmes de contrôle difficilement résolubles par des méthodes classiques. Ce travail est consacré à l'étude de la mise en œuvre de la procédure CARP dans laquelle sont développés des critères pour le contrôle par émission acoustique de canalisations en plastique renforce de fibres de verre. Cette procédure est analysée à travers son application sur des structures tubulaires de différents fournisseurs. Une meilleure interprétation des critères CARP est réalisée grâce à l'utilisation d'autres méthodes de contrôle (extensométrie, observations micrographiques. . . ).

Cette etude est consacree d'une part au comportement en temperature de 40c a 85c d'assemblages colles smc/pu/aluminium et noryl gtx 964/ma/acier galvanise et d'autre part a leur vieillissement climatique. La tenue mecanique de ces assemblages a ete determinee experimentalement entre 40c et 85c. L'analyse des resultats a conduit a proceder a une analyse des contraintes par elements finis. Pour cela, il a fallu mesurer les proprietes mecaniques des adherents et des adhesifs a $$ = 10##4s##1 et a $$ = 10##2s##1 et leurs coefficients de dilatation. Il en ressort deux caracteristiques essentielles : - les modules d'young des adhesifs chutent de 2gpa en dessous de 10c a 10mpa des 50c. - les coefficients de dilatation des adherents sont #a#1 = 2#s#m#c = 23. 10##6c##1 et #n#o#r#y#l = 7#a#c#i#e#r = 100. 10##6c##1. Ainsi les mecanismes d'endommagement des assemblages sont de deux types : - par refroidissement en dessous de 0c, la rigidite des adhesifs et la difference des coefficients de dilatation engendrent des contraintes d'origine thermique. Ces contraintes sont proportionnelles a l'ecart de temperature et a la difference des coefficients. Elles peuvent etre a l'origine de la creation de microfissures dans les adhesifs. - lors d'un chauffage, les differences de dilatation entre les adherents sont absorbees par les adhesifs devenus souples. Par contre l'humidite combinee avec la chaleur pourra creer des degradations physico-chimiques dans les adhesifs, les adherents et aux interfaces. Au cours de cyclages thermiques, les microfissures creees a froid peuvent faciliter la diffusion de l'eau a haute temperature et accelerer la degradation des assemblages.