Mechanical characterisation and numerical tool for the design of structural adhesive joints

Caractérisation mécanique et outil d'aide au dimensionnement des collages structuraux

Sébastien Joannès (1)

1 CDM - Centre des Matériaux

In recent years, structural adhesive bonding has become a popular joining method for the transportation industry. Its development is nevertheless hindered by several limitations and by design rules that are still somewhat empirical. Even today, characterisation methods and finite element tools are not always appropriate for industrial applications. This thesis work consisted in developing an experimental and numerical approach to bring help in the design of structural adhesive bonds. For the mechanical characterisation of the adhesive within structural assemblies, a modified experimental M. ARCAN set up is used. This set up allows varying the loading direction while preserving a relatively uniform state of stress inside the joint. On the basis of experimental observations, a non-linear phenomenological material model based on a generalized Drucker-Prager criterion is proposed. A specific focus on the microstructure morphology brings some information concerning damage mechanisms. To overcome industrial calculation constraints (mesh refinement, CPU time, etc.), an efficient computer tool has also been developed. It is based on the p-version finite element method which allows keeping « industrial » mesh with a reasonable description of adhesive joints. This computer tool has shown to be reliable and successful to detect edge effects on coarse meshes. This work is a first step to facilitate predicting the fracture of structural adhesive joints.

Ces dernières années, le collage structural est devenu une technique d'assemblage particulièrement prisée par l'industrie des transports. Son développement est néanmoins ralenti par des restrictions sévères et des règles de dimensionnement qui demeurent quelque peu empiriques. Aujourd'hui encore, les méthodes de caractérisation et les outils basés sur la méthode des éléments finis ne sont pas toujours appropriés aux applications industrielles. Ce travail de thèse a consisté à développer une démarche expérimentale et numérique permettant d'envisager un outil d'aide au dimensionnement des collages structuraux. Pour caractériser mécaniquement l'adhésif au sein d'un assemblage, un dispositif expérimental dérivé du système de M. ARCAN est employé. Celui-ci permet de faire varier la direction de chargement tout en conservant un état de contrainte relativement uniforme au sein du joint. S'appuyant sur les observations expérimentales, un modèle de comportement non linéaire basé sur un critère de Drucker-Prager généralisé est alors proposé. Un éclairage particulier sur la morphologie de la microstructure apporte des éléments concernant les mécanismes d'endommagement. Afin de surmonter les contraintes informatiques industrielles (raffinement du maillage, temps CPU, etc.), un outil numérique a été développé. Celui-ci est basé sur la version-p de la méthode des éléments finis qui permet de conserver des maillages « industriels » avec une description raisonnable des joints collés. Cet outil est apparu assez performant pour détecter les effets de bord sur des maillages grossiers. Ce travail constitue un premier pas vers une prédiction simplifiée de la tenue mécanique des collages structuraux.

Mots clés: multi-axial tests; fillers damage évolution; generalized Drucker-Prager model; p-version FEM; hierarchic formulation; structural adhesive bonding

Mots clés: collage structural; essais multiaxiaux; endommagement des charges; modèle de Drucker-Prager généralisé; MEF version-p; formulation hiérarchique

Domaines: Mécanique [physics.med-ph]; Matériaux; Mécanique des matériaux [physics.class-ph]

Sébastien Joannès. Caractérisation mécanique et outil d'aide au dimensionnement des collages structuraux. Mécanique [physics.med-ph]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2007. Français. ⟨NNT : 2007ENMP1528⟩. ⟨tel-00288527⟩