Etude du comportement et conception des assemblages de

ETUDE DU COMPORTEMENT ET CONCEPTION DES ASSEMBLAGES
DE STRUCTURES COMPOSITES ET MULTIMATERIAUX
C. BOIS*, J.M. QUENISSET, J.C. WAHL, H. WARGNIER
* correspondant du thème : [email protected]
Contexte général et problématique.
L’utilisation croissante des matériaux composites notamment dans le secteur de
l’aéronautique conduit à la conception de structures multi-matériaux constituées d’assemblages
hybrides métal-composite. A titre d’exemple, l’assemblage des pièces représente environ 50 %
du coût de fabrication d’un avion civil et leur réalisation demeure un problème technologique tant
du point de vue de la mise en œuvre que de la tenue mécanique en service.
Différentes technologies d’assemblage peuvent être employées : boulonnage, rivetage,
insert métallique taraudé ou fileté, ou combinaison de ces technologies incluant éventuellement
le collage et le soudage. Ces différentes technologies engendrent des sollicitations spécifiques
dans le matériau composite. Pour ces types de sollicitation le comportement des matériaux
composites est fortement non linéaire en raison de la présence de différents types
d’endommagement (fissuration de la matrice, micro-flambement des fibres, délaminage…). De
plus, la présence d’interfaces entre matériaux différents engendre des mécanismes de transferts
de charge complexes : contact frottant avec jeu ou précharge qui peuvent évoluer en fonction de
la dégradation des pièces, des dilatations différentielles et du fluage des matériaux. Ainsi la
prévision des résistances associées à chaque mode de rupture nécessite de prendre en compte
l’évolution du comportement des matériaux au cours du chargement pour obtenir une bonne
estimation de la répartition des transferts de charge.
L’architecture de l’assemblage de par sa géométrie parfois complexe et la présence de
matériaux au contraste de comportement (mécanique, thermique …) important est également
une source de complexité en termes de prévision (calcul de structure en présence de zone à fort
gradient de contraintes et de comportements fortement adoucissants).
D’un point de vu conception et notamment optimisation, l’architecture de l’assemblage est
pilotée par de nombreux paramètres (géométrie, matériaux) dont l’étude des influences repose
sur les phénomènes complexes énoncés précédemment. Il en est de même pour
l’industrialisation des techniques d’assemblage : les spécifications fonctionnelles nécessaire à la
maitrise des variabilités de mise en œuvre doivent reposer sur la relation entre défauts (ou
écarts au nominal) et la performance attendue de l’assemblage. Malheureusement, aujourd’hui
les choix de conception et d’industrialisation reposent souvent sur des règles métiers
transposées du métallique au composite de manière très conservative.
Objectifs
Le premier objectif de cette activité est de proposer une méthodologie d’analyse
et de modélisation (caractérisation et simulation) qui permet de prédire la résistance et
plus largement la performance mécanique d’assemblage hybride. Pour une
technologie d’assemblage donnée ou la combinaison de plusieurs technologies, la
méthodologie repose sur :
1. l’analyse des transferts de charge et notamment le rôle des comportements
non-linéaire sur la répartition des transferts de charge.
2. La définition de critères de rupture spécifique aux assemblages (matage
composite, fissuration joint d’adhésif…)
Le second objectif de cette activité est d’analyser l’influence des paramètres de conception
(valeurs nominales) et d’industrialisation (tolérances) pour alimenter les bureaux d’étude en
outils de pré-dimensionnement, de tolérancement et de certification. Ces outils sont développés
dans un esprit de complexité maitrisée afin de s’adapter à la finalité industrielle (conception
préliminaire, pré-dimensionnement, validation, certification) comme illustré sur la Figure 1.
Hybrid assembly
Geometry, materials, loading
Mechanical testing with
judicious measurements
“material”
specimens
Phenomena analysis and
model identification
3D – FEM with complex
behaviour
Damage, non elastic strain,
contact …
“joint”
specimens
Relevant
phenomena
Model
validation
Simplified model
with controlled complexity
Influence of mains
parameters
Design and industrialisation
optimization
Figure 1. Méthodologie d’analyse pour une conception optimale.
Figure 2. Essai de flexion pure utilisé pour la caractérisation du
comportement en compression.
1
hybrid joint : experimental results
bonded joint
bolted joint : bearing initiation
bolted joint : bearing strength
hybrid joint : bearing initiation
hybrid joint : strength
0.9
0.8
0.7
Efficiency
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
d/w
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Figure 3. Comparaison de l’efficacité de différents
types d’assemblage.
Figure 4. Flux d’effort autour
d’un alésage non renforcé et
renforcé par bague.
Travaux réalisés
Analyse du comportement en compression des composites stratifiés pour la modélisation des
dégradations par matage (Fig. 2)
Du transfert de charge à la résistance des assemblages hybrides boulonnés collés (Fig. 3)
Du transfert de charge à la résistance des alésages composites renforcés par bague (Fig. 4)
Influence des défauts géométriques dans les assemblages multi-fixations
BOIS C., WARGNIER H., WAHL J.-C., LE GOFF E. An analytical model for the strength prediction of hybrid
(bolted/bonded) composite joints, Composite Structures, Vol. 97, pp. 252–260, 2013.
BOIS C., LE GOFF E., QUÉNISSET J.-M., WAHL J.-C., WARGNIER H. Expanded and bonded bushings for
metal composite assembly reinforcement. In: ECCM14 - 14TH European Conference on Composite
Materials. Budapest: 2010.
LE GOFF E., BOIS C., WARGNIER H., WAHL J.-C. Impact of material degradations on load transfer and
assembly behavior. Application to reinforced holes in composite assembly. In: ECCM15 - 15TH European
Conference on Composite Materials. Venice: 2012.