Méthodologie pour la simulation rapide et fiable de structures collées multi-couches sous sollicitation dynamique

Methodology for the fast and reliable simulation of multilayered adhesively bonded structures under dynamic loading

• Auteur / Autrice : Benjamin Ordonneau
• Direction : Michel Salaün, Eric Paroissien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe Modélisation des Systèmes et Microsystèmes Mécaniques (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Le Grognec
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Salaün, Eric Paroissien, Philippe Le Grognec, Franck Lauro, Anita Catapano, Lucas Filipe Martins da Silva
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Lauro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Assemblages collés

Génie mécanique

Dynamique

Vibrations

Mots clés libres

Dynamique vibratoire

Comportement de plaque

Modélisation semi analytique

Vibrational dynamics

Plate behaviour

Semi analytical modelling

Résumé

Les assemblages sont le point critique de toutes les industries de construction. Au-delà de permettre la construction de systèmes mécaniques complexes, il en assure la durée de vie, du fait qu’ils ont pour fonction d’assurer le transfert des efforts au sein des structures. Comparée à la technologie d’assemblage par boulonnage, l’assemblage par collage offre des performances mécaniques accrues tout en réduisant la masse embarquée nécessaire au transfert des efforts. Cette technologie intéresse donc particulièrement les industries aéronautiques, spatiales, ferroviaires ou automobiles, pour lesquelles le rapport résistance sur masse est un enjeu majeur. Le sujet consiste à développer des méthodologies permettant de réduire les temps de calcul tout en prenant en compte le comportement réel de l’adhésif pour une meilleure représentativité de la simulation du comportement mécanique sous sollicitation dynamique à l’échelle de la structure. Il est démontré dans la littérature que certains jeux d’hypothèses simplificatrices permettent une représentation précise du comportement mécanique des assemblages collés au travers d’un schéma de résolution analytique. Néanmoins, le champ d’application de ces approches analytiques est souvent trop restrictif. Des schémas de résolution semi-analytique doivent alors être employés pour résoudre le système d’équations différentielles issu des judicieuses hypothèses simplificatrices. A notre connaissance, la technique par macro-élément, développée depuis 15 ans à l’Institut Clément Ader, est une des deux approches semi-analytiques qui existent dans la littérature. Aujourd’hui, cette technique est applicable dans le cadre d’une cinématique de poutre et peut être utilisée pour des éprouvettes de caractérisation ou des assemblages chargés dans le plan. L’objectif de cette thèse est d’étendre la technique par macro-élément à une cinématique de plaque, impliquant alors un système d’équations aux dérivées partielles, afin de pouvoir simuler des assemblages de structures minces sous chargement statique et dynamique quelconque.

The assemblies are the critical point of the manufacturing industries. They allow for the manufacturing of complex mechanical systems while ensuring their life in service since their function is to ensure the load transfer within the structure. Compared to classical joining technologies such as mechanical fastening, adhesive bonding offers higher mechanical performances at lower embedded mass. The industries, for which is the strength-to-mass ratio is a major stake such as aerospace, automotive or rail industries, are then interesting in this technology. The topic consists in developing methodologies allowing for CPU time reduction while taking into account the actual adhesive material behavior to obtain a better relevance of predictions of the mechanical behavior under dynamics loading à the structural scale. It is shown in the literature that some sets of simplifying hypotheses allow for an accurate prediction of the mechanical behavior of adhesively bonded joints through a pure analytical resolution scheme. However, the application field of these analytical approaches is often too restricted. Semi-analytical resolution schemes have then to be developed to solve the system of ordinary differential equations coming from the judicious simplifying hypotheses. To our best knowledge, the macro-element technique, developed at Institut Clément Ader since 15 years, is one of both existing semi-analytical approaches in the literature. Nowadays, this technique can be applied in the frame of a beam kinematics and can be used to address laboratory specimens or in-plane loaded joints. The objective of the project is to widespread the macro-element technique over plate kinematics, involving then a system of partial differential equations, in order to simulate the mechanical behavior of thin structures under any static and dynamic loadings.