Analyse du comportement mécanique des joints de colles par méthodes expérimentales
par Marie-Pierre Moutrille
Thèse de doctorat en Mécanique et matériaux
Sous la direction de Didier Baptiste et de Michel Grédiac.
Soutenue en 2008
à Paris, ENSAM , dans le cadre de École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) .
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Résumé
Les patchs en composites sont couramment employés pour réparer les structures métalliques endommagées et prolonger leur durée de vie, et ce, plus particulièrement dans l'industrie aéronautique. Une autre alternative consiste à employer des patchs afin de renforcer les structures et empêcher la propagation de défauts. Le travail s'inscrit dans la problématique du renforcement préventif des structures métalliques par collage de patchs en composite. Dans ce cas de figure, l'effort subit par la pièce métallique est dévié vers le patch composite et la zone critique est soulagée. Cette technique est considérée comme efficace tant que la colle entre le patch et le substrat peut supporter les contraintes élevées de cisaillement transverse qui apparaissent généralement, après la réparation, près du bord libre, comme dans n'importe quel joint collé. La caractérisation du soulagement d'une éprouvette patchée soumise à un chargement cyclique en traction est le premier objectif de ce travail. La thermographie infrarouge, alliée une analyse thermoelastique, est utilisée à cette fin. Cette méthode permet d'obtenir des informations importantes comme la distribution des contraintes dans le substrat, le renforcement global et local, la longueur de transfert des contraintes. Ces résultats peuvent être comparés à une solution analytique et à des simulations par éléments finis. Le deuxième objectif de ce travail est la connaissance de la réponse en termes de contraintes, déplacements et déformation du joint de colle. L'état de contraintes résiduel, résultant du processus de collage, est préalablement déterminé par diffraction des rayons X (DRX). La réponse mécanique in-situ du joint de colle est alors caractérisée par des mesures de champs à l'échelle microscopique. La trace des contraintes est déterminée à proximité du bord libre pendant un chargement cyclique par thermographie infrarouge et analyse thermoélastique. Enfin la corrélation d'image numérique permet de mesurer les champs de déplacement en surface du joint pendant un essai mécanique. Les champs de déformations en cisaillement sont alors déduits des champs de déplacements. Pour ces deux techniques de mesure de champs, les résultats expérimentaux sont comparés à aux solutions issues des modèles analytiques et numériques. Une analyse croisée des résultats expérimentaux obtenus aux échelles macroscopiques et microscopiques est alors effectuée. Cette analyse fournit en particulier une évaluation du module de cisaillement in situ du joint de colle. L'influence des conditions de charge (niveau et fréquence de chargement) sur cette propriété matérielle est également discutée. Les aeronefs étant principalement soumises à des sollicitations en fatigue, le dernier objectif de ce travail est d'étudier l'évolution d'éprouvettes renforcées pendant un essai de fatigue. La thermographie infrarouge et une analyse thermoélastique sont à nouveau employées à cette fin. Cette expérience permet de dépister et caractériser la progression de la fissure qui se produit au niveau du joint de colle. En guise de perspective, une loi de propagation de fissures est construite et un critère d'arrêt est proposé.
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Titre traduit
Experimental analysis of the mechanical behaviour of adhesive joints
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Résumé
Composite patches are widely used to repair damaged metallic structures and to extend their service life, especially in aeronautical industry. A similar case of application consists in using patches in order to reinforce structures and prevent defect propagation. The present work deals with the reinforcement of metallic structures using bonded composite patches. In this case, the initial stress flow is deviated by the composite patch and the critical zone is relieved. This technique is expected to be efficient only if the adhesive between patch and substrate is able to sustain high transverse shear stresses which generally take place near the free edge of the patch after repair, as in any bonded joint. The first aim of this work is to characterize the stress relief in patched specimen subjected to tensile cycling loading. Infrared thermography and thermoelastic coupling are used for this purpose. It provides relevant information such as stress distribution in the metallic substrate, global and local relief, zone of progressive load transfer. Results can be compared to analytical solution and finite element simulations. The response in terms of strains, displacements and stresses of the adhesive bonded joint is the second aim of this work. The initial stress state stress in the adhesive, resulting from the bonding process, is previousely determined by X-Ray diffraction (XRD). Then the in situ mechanical response of the adhesive is characterised using full-field measurements at a microscopic scale. The sum of principle stress amplitude is determined near the free edge of the adhesive during a cyclic loading. Infrared thermography and thermoelastic coupling are used for this purpose. Finally Digital Image correlation (DIC) allows the determination of the displacement field on the surface of the adhesive during a mechanical test. Shear strain field is deduced from the diplacement field. For both full-field measurement techniques, experimental results are compared with their numerical and theoretical counterparts provided by some suitable models. A cross analysis of macroscopic and microscopic experimental results is then carried out. This analysis particularly provides an estimation of the in situ shear modulus of the adhesive. The influence of loading conditions (loading level and frequency) on this material property is also discussed. As areonautical structures are mainly subjected to fatigue loading, the last aim of this work is to study the evolution of the reinforced struture during a fatigue test. Once again infrared thermography and thermoelastic coupling are used for this purpose. This experiment enables to track and characterize the crack growth that occurs in the adhesive layer. As a prospect, a crack propagation law is build up and a stopping criterion is proposed.
