Testing and modelling the mechanical behaviour of marines bonded and aeronautical bonded-bolted structures
Expérimentation et modélisation du comportement mécanique de structures marines collées et aéronautiques collées-boulonnées
Résumé
Adhesive bonding is a way to design optimal structures because it allows the use of various materials for each part to join. Bonding can also be combined with another assembly technique, to sum their advantages. The issue of pairing materials and assembly techniques is, in our naval and aircraft application cases, a gain in weight and in fabric cost. The materials used are of various types: wood, composite, aluminium alloy, polyurethane and polysulfide adhesives. The naval case aims at classifying geometries of bulkhead / boat hull in terms of stiffness and strength. The aircraft study aims at understanding the mechanisms involved in a hybrid (bolted and bonded) assembly, and to simulate its deformation in tensile loading. The adopted approach is to go through successively from the basic scale to the industrial structure model by tests and computation loops, validating models by tests on increasing complexity specimens. For the polyurethane adhesive, basic characterizations have revealed its viscouselastic‐plastic behaviour and, by means of the multiaxial solicitation device Arcan‐Mines, the hydrostatic pressure influence on the plasticity surface. The constitutive law developed to represent these effects includes an original model of viscoelasticity and a modified Drucker‐Prager criterion. The latter, along with computational rules, is proposed as a criterion for resistance comparison between geometries. In the hybrid assembly case, it has been determined that the polysulfide adhesive used has a structural role: it significantly increases the joint stiffness in comparison with a simply bolted joint. A finite element method simulation can reproduce the elastic phase of deformation up to the structure's qualification load level in fatigue. All this work has provided elements of justification and choice to our partner's research offices for the design of their joints.
L'assemblage par collage est un moyen de concevoir des structures optimales, car il autorise l'emploi de matériaux distincts pour chaque pièce à unir. Le collage peut aussi être combiné à une autre technique d'assemblage, afin d'en cumuler les avantages. Les enjeux de l'optimisation des couples de matériaux et des techniques d'assemblage sont, dans les cas naval et aéronautique traités, un gain en masse et un gain d'indice constructif. Les matériaux mis en oeuvre sont de natures diverses : bois, composite, alliage d'aluminium, colles polyuréthane et polysulfure. Le cas d'étude naval vise à classer des géométries de liaison cloison intérieure/coque de bateau en termes de raideur et de résistance. Le cas aéronautique s'attache à comprendre les mécanismes en jeu dans un assemblage hybride boulonné‐collé et à simuler sa déformation sous traction. La démarche adoptée consiste à passer successivement de l'échelle élémentaire à la maquette de structure industrielle par des boucles essais/calculs, en validant les modélisations par des essais sur des éprouvettes de complexité croissante. Pour la colle polyuréthane, des caractérisations élémentaires ont permis d'observer sa viscoélastoplasticité et, au moyen du dispositif de sollicitation multiaxiale Arcan‐Mines, l'influence de la pression hydrostatique sur l'entrée en plasticité. La loi de comportement développée pour représenter ces effets intègre un modèle de viscoélasticité original et un critère de Drucker‐Prager modifié. Ce dernier, assorti de règles de calcul, est proposé comme critère de comparaison de résistance entre géométries. Il a été déterminé dans le cas de l'assemblage hybride que la colle polysulfure employée a bien un rôle structural : elle augmente sensiblement la raideur de la fixation par rapport à une liaison simplement boulonnée. Une simulation par éléments finis permet de reproduire la phase de déformation élastique jusqu'au niveau d'effort de qualification en fatigue de la structure. L'ensemble de ces travaux a permis de doter les bureaux d'étude d'éléments de choix et de justification pour la conception de leurs assemblages.