Conception d'une structure travaillante en matériaux composites et étude de ses liaisons

par François Cerisier

Thèse de doctorat en Matériaux polymères et composites

Sous la direction de Michel Grédiac.

Soutenue en 1998

à Saint-Etienne .

mots clés

• Assemblage mécanique
• Assemblage boulonné
• Matériau composite
• Jeu mécanique
• Frottement
• Modélisation
• Méthode élément fini
• Effet non linéaire
• Véhicule ferroviaire
• Assemblages à boulons
• Composites

Résumé

Ce travail concerne la conception d'une transmission de locomotive en matériaux composites ainsi que l'étude des liaisons boulonnées permettant d'intégrer cette structure à son environnement. L'objectif principal de la conception est d'obtenir, grâce aux propriétés mécaniques spécifiques des composites, une pièce simple conduisant à une réduction des masses non suspendues dans les bogies moteurs. Le matériau, l'orientation des fibres et la géométrie ont été choisis afin que cette pièce puisse remplir les mêmes fonctions que celles de la solution actuelle. Des essais de caractérisation ont permis d'évaluer les propriétés mécaniques du matériau, un tissu de verre noyé dans une résine époxyde. Le détail de la géométrie a été optimisé en utilisant un code de calcul par éléments finis. Les différentes rigidités et les coefficients de sécurité ont été estimés dans le cas le plus défavorable. Les résultats en terme de rigidités ont été validés par différents essais réalisés sur un premier prototype. La solution possible pour fixer la transmission à son environnement est un assemblage boulonné. L'étude de ce type de liaison sur pièce en matériaux composites a été abordée. Cette étude est basée sur une forte complémentarité entre essais et calculs. Dans un premier temps, un travail expérimental a permis de mieux comprendre le comportement des liaisons boulonnées sur pièces en matériaux composites. Ces essais ont mis en avant la forte influence de certains paramètres, notamment le jeu, sur la force à rupture. Dans un deuxième temps, une étude numérique visant à modéliser le comportement des liaisons boulonnées avec jeu a été conduite. L'objectif de cette étude était de développer un modèle éléments finis permettant de calculer les contraintes autour du trou pour arriver à terme à un modèle capable de prédire la résistance des liaisons sur pièces en composites. Différents moyens de validation ont été mis en oeuvre pour s'assurer que la répartition des déformations corresponde à la réalité. Ce travail a permis de montrer la nécessité de prendre en compte le contact avec frottement ainsi que la non-linéarité de comportement du composite en cisaillement. Pour finir, une analyse des contraintes conduit à une bonne évaluation des efforts à rupture pour différentes valeurs du jeu

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