Méthodologie de dimensionnement d’un assemblage collé pour application aérospatiale

par Jérémy Le Pavic

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de David Thévenet.

Soutenue le 26-04-2018

à Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) , en partenariat avec Institut de Recherche Dupuy de Lôme (laboratoire) et de Institut de Recherche Dupuy de Lôme / IRDL (laboratoire) .

Le président du jury était Julien Jumel.

Le jury était composé de Julien Jumel, Georgious Stamoulis, Thomas Bonnemains, David Da Silva, Florian Lavelle, David Da Silva, Florian Lavelle.

Les rapporteurs étaient Frédéric Lachaud, Cécile Mattrand.


  • Résumé

    Les lanceurs spatiaux sont des structures complexes associant une multitude de composants. L’assemblage de ces éléments doit répondre à un niveau de performance élevé. Le collage structural demeure un bon candidat en raison des nombreux avantages qu’il présente. Cependant, cette technologie montre des inconvénients. En raison des changements brusques de géométrie et de propriétés matériaux, des concentrations de contraintes apparaissent aux extrémités du joint de colle. Ce phénomène appelé effets de bords est néfaste pour la tenue mécanique de l’assemblage collé. La présence des effets de bords exclut l’utilisation de critères en contrainte utilisés classiquement. Le dimensionnement d’assemblages collés requiert des outils fiables prenant en compte ces effets de bords. Dans cette étude, un modèle de ruine incrémentale, associant une approche en contrainte et en énergie, est utilisé. L’utilisation de cet outil dans un cadre industriel, impose de répondre aux besoins d’un Bureau d’Études, notamment en termes de coût de calculs. Afin de le diminuer, une implémentation semi-analytique, est tout d’abord développée. Puis, une seconde méthode d’implémentation, basée sur la méthode des Eléments Finis, permet une prévision plus précise de la ruine d’un assemblage. La pertinence de ces deux approches a été vérifiée pour plusieurs configurations de joints collés. Des campagnes d’essais, destinées à confronter les résultats expérimentaux aux prévisions numériques, ont été réalisées. Dans le cadre de ce travail, un montage de collage et d’essai pour assemblages tubulaires a en particulier été développé. L’objectif du pré-dimensionnement est d’identifier une zone d’intérêt dans l’ensemble du domaine d’étude. Aussi, une étude paramétrique peut être requise afin de réaliser cette tâche. Afin de réduire le coût de calcul, une méthode d’interpolation spatiale appelée Krigeage a été mise en œuvre, et permet la construction efficace d’une surface de réponse.

  • Titre traduit

    Design methodology applied to bonded structure for space application


  • Résumé

    Space Launchers are complex structures composed of a large number of elements. The assembling of these components must show a high level of reliability. The use of adhesive bonding technology is an interesting solution since it presentsseveral assets compared to “classical” joint techniques (such as riveting, bolting and welding), mainly because it can help to construct lighter and less energy consuming systems However„ the implementation of adhesives also has somedrawbacks. Due to the strong variations of geometrical and material properties, stress concentrations appear at the extremities of the joint. This phenomenon; called edge effects; has a great influence on the failure of the bond. As a result, the simple use of a classical stress or energetic criteria is not appropriate to predict the fracture of such structures. Therefore, it is obvious that the design of bonded assemblies requires reliable tools to take the edge effects into account. In this work an incremental failure model, which combines the stress and energetic criteria, is used. In order to decrease the computational cost, a semi-analytical application of this model is proposed. This is intended to make the approach more interesting to be implemented in an industrial environment. The accuracy of the prediction of the failure load is enhanced by means of the Finite Element method. The reliability of both the semi-analytical and Finite Element approaches is verified by comparing the model predictions with experimental data issued from double-notched Arcan and tubular specimen geometries. The aim of the pre-design phase is to identify the critical area in the whole range of the application of the studied geometry. Therefore, the realization of a parametric study is required in order to build a response surface. In the present study, this has been achieved by means of spatial interpolation using the Kriging model.


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