Dissertations / Theses on the topic 'Assemblages collés – Rupture'

Nous avons développé une méthode d'essais permettant de caractériser le comportement à rupture d'une jonction collée sur une large gamme de vitesse. L'éprouvette de rupture M. M. F. (mixed mode flexure) est utilisée sur cette gamme. Nous mettons en évidence des régimes de fonctionnement de l'éprouvette différents selon la vitesse. Nous avons réalisé deux séries d'essais (éprouvette chargée en flexion à 0. 5mm/mn et à 0. 6m/s) pour lesquelles l'éprouvette est en équilibre avant sa rupture. Des calculs par éléments finis permettent d'analyser finement le comportement mécanique de l'éprouvette, montrent que le joint collé est sollicité en mode mixte et que le comportement de l'éprouvette est modifié par une plastification en pointe de fissure. Néanmoins, un calcul analytique est suffisant pour déterminer le taux de restitution d'énergie critique Gc. Lorsque l'éprouvette est sollicitée par l'impact d'une bille d'acier projetée à 200m/s, l'équilibre mécanique n'est pas atteint au moment de la rupture. Nous avons eu recours a la simulation numérique par éléments finis pour interpréter nos essais. Les résultats de celle-ci sont en accord avec l'expérience et permettent donc le calcul de Gc. Il a également été montré que le joint collé est maintenant sollicité en mode II pur. L'ensemble de ces essais met en évidence une augmentation de la ténacité des jonctions collées avec la température et la vitesse

L’objectif du travail est le développement d'une méthode de prévision du comportement mécanique et de la rupture d'un joint colle avec un adhésif époxy modifié par des ajouts d'élastomère, en prenant compte l'influence de la contrainte hydrostatique et le comportement viscoplastique de cet adhésif. On cherche d'abord à déterminer la loi de comportement de l'adhésif. Ensuite la distribution des contraintes et déformations est calculée pour des joints à simple recouvrement et des joints colles bout à bout. Les résultats des calculs sont en bon accord avec les mesures expérimentales. Il subsiste toutefois un certain écart pour les joints colles bout à bout. Pour préciser les raisons de cette anomalie, les contraintes résiduelles sont calculées. On trouve qu'elles sont faibles. Il faut alors sans doute prendre en compte l'endommagement des joints. Les processus d'endommagement de l'adhésif ont été déterminés par des observations faites au microscope électronique à balayage sur des éprouvettes sollicitées in situ. Un modèle micromécanique permet d'introduire cet endommagement dans la loi de comportement de l'adhésif. Des observations in situ montrent que les endommagements aboutissent à la création d'une macrofissure aux extrémités des joints à simple recouvrement. Ces observations suggèrent l'utilisation d'un critère fondé sur l'intégrale J de Rice Cherepanov pour évaluer la résistance à la fissuration. Un calcul analytique approche, permet d'exprimer cette intégrale en fonction de la densité de déformation maximale dans l'adhésif. Un critère de valeur critique de cette intégrale permet de rendre compte correctement des résultats expérimentaux

Dans le cadre de la mécanique linéaire de la rupture, on détermine un critère d'amorçage en mode mixte dans un composite verre/époxyde. Les montages utilises sont DCB, ENF et MMB. Le rapport des modes obtenu a partir de la théorie des poutres est proche de celui qui utilise les valeurs expérimentales des complaisances. Le point d'amorçage correspondant au point de perte de linéarité de la courbe charge/déplacement est voisin de celui qui correspond au premier signal acoustique. On vérifie que le critère de délaminage est indépendant de l'épaisseur des éprouvettes. Suivant la même démarche, on recherche un critère pour un assemblage colle composite/composite. Ce critère est différent du précédent a cause des valeurs d'énergie d'amorçage plus élevées pour l'assemblage et de la stabilité atypique de ces essais. Enfin, une étude est menée sur la séparation des modes dans le cas d'une éprouvette asymétrique. Des essais de délaminage montrent qu'une approche qui prend en compte le champ de singularité au voisinage de la pointe de fissure est mieux adaptée qu'une approche du type théorie des poutres. Les expériences réalisées sur des assemblages acier/composite n'ont pas permis de trancher en faveur de l'une ou l'autre méthode

L'application de caoutchouc pour l'assemblage de composite est important dans industries automobiles et aéronautiques. Une technique nouvelle est discutée pour mesurer le taux de restitution d'énergie et la propagation du délaminage des assemblages exposés sous environnements agressifs. Un guide à dessiner et à appliquer est donné. Nous avons étudié le comportement en délaminage de deux assemblages du type double poutre sandwich encastrée (DCSB) (mode I) et double recouvrement (mode II). L’éprouvette DCSB offre une capacité de mesurer les énergies de rupture d'assemblage caoutchouc/composite. Cette éprouvette peut être analysée avec la mécanique linéaire et élastique de la rupture en raison de la dissipation viscoélastique de caoutchouc très réduite. On utilise l'intégrale j pour caractériser l'amorçage et le déploiement brutal d'une rupture dans du joint a double recouvrement soumis a des conditions de sollicitation de mode II. L’intégrale j représente l'énergie maximale stockée dans la couche de l'intercalaire en caoutchouc. Néanmoins, les valeurs obtenues par extrapolation montrent que l'énergie de rupture en mode II vaut à peu près le double de l'énergie en mode I

L’assemblage des matériaux composites par collage présente des avantages incontestés par rapport à d’autres méthodes telles que le boulonnage ou le rivetage. Cependant, la principale difficulté que rencontrent les concepteurs est celle de la prévision du niveau et du mode de rupture de ces collages. Dans le cas des composites stratifiés, un des facteurs influents sur le comportement des joints collés est la séquence d'empilement, mais les travaux présentés dans la littérature ne séparent pas les effets globaux (modification des rigidités de membrane et de flexion) et les effets locaux (orientation des plis au contact de la colle). La présente étude s'intéresse à la caractérisation de ces effets dans le cas de joints de type simple recouvrement de stratifiés carbone/epoxy. Pour isoler les effets locaux, des séquences d'empilement spécifiques quasi isotropes quasi homogènes sont utilisées. A propriétés de raideur globale égales, des différences de résistance de plus de 30% sont observées selon les séquences considérées. Les essais réalisés avec un stratifié symétrique anisotrope en flexion montrent également que la raideur en flexion joue un rôle important dans le comportement des joints. Les modèles analytiques utilisés prédisent les effets globaux avec une bonne précision mais sont inappropriés lorsque des phénomènes locaux se produisent. Une approche par éléments finis permet de prendre en compte ces phénomènes, en modélisant explicitement les plis au contact de la colle et en rendant possible le décollement interlaminaire de ces plis à l'aide d'un modèle de zone cohésive. Cette modélisation est mise en œuvre pour réaliser une étude paramétrique de la géométrie du joint et pour produire une enveloppe de rupture en fonction de la direction de sollicitation
Adhesive bonding of composite materials has undeniable advantages over other methods such as bolting or riveting. However, one of the difficulties encountered by designers is the prediction of the failure level and failure mode of these adhesively bonded assemblies. In the case of composite laminates, one of the factors acting on the bonded joint behaviour is the stacking sequence, but works presented in the literature do not separate global effects (membrane and bending stiffness modification) and local effect (ply orientation near the adhesive layer). This study deals with the characterization of such effects in the case of single lap joints of carbon/epoxy laminates. In order to isolate the local effects, specific quasi isotropic quasi homogeneous stacking sequences are used. When stiffness properties are maintained constant, strength variations of more than 30 % are observed. Tests performed with a symmetric laminate with bending anisotropy show that the bending stiffness plays also an important role in the joint behaviour. Closed form models are able to predict global effects with a good accuracy but are inappropriate when local effects occur. The use of finite element models can account for these phenomena, by explicitly modelling the laminate plies near the adhesive layer and introducing delamination between these plies with a cohesive zone model. This model is used to perform a parametric study of the joint geometry and to produce a failure envelope according to the orientation of the loading

Une approche par la Mécanique de la Rupture du comportement mécanique des joints collés a été retenue dans ce travail en privilégiant une approche non linéaire mettant en évidence les phénomènes d'endommagement se produisant dans l'adhésif avant la rupture de l'assemblage. Une étude numérique préalable a abouti à la détermination d'un spécimen d'essai produisant une fissuration stable des assemblages bois collés sous sollicitation d'ouverture ou de cisaillement. L'étude du comportement mécanique des adhésifs étudiés a montré qu'une observation de la rupture cohésive de l'assemblage peut être un bon moyen d'appréhender le comportement d'un adhésif sous la forme d'un joint de colle. Ce type de rupture est étudié à l'aide de diverses techniques expérimentales telles que suivi de la fissuration par acquisition et traitement d'images, photoélasticimétrie, analyse fractographique des surfaces fissurées et analyse DSC des adhésifs polymérisés. A la lumière de toutes ces observations expérimentales, une étude plus systématique a été menée afin de quantifier la sensibilité de l'adhésif à la sollicitation appliquée (ouverture ou cisaillement) ou à l'épaisseur du joint et de lier les grandeurs à rupture déterminées en fonction du type de rupture observé : cohésive, adhésive, dans l'interphase ou déviée dans le bois. Une modélisation du comportement mécanique des éprouvettes de colle massive puis des assemblages bois collés a ainsi été développée grâce au code de calcul Castem 2000. L'application d'un modèle d'endommagement diffus de l'adhésif (Smeared Crack Approach) dans la description des phénomènes expérimentalement observés permet une bonne simulation du comportement des éprouvettes de colle massive mais s'avère insuffisante dans le cas des assemblages bois collés. Toutefois, ce travail numérique permet d'identifier les mécanismes potentiels de rupture des joints collés fournissant ainsi un cadre plus rigoureux à des études ultérieures.

Cette thèse porte sur le développement d’un essai mécanique pour la caractérisation de l’adhérence d’une colle à un substrat. L’enjeu est d’étudier les différentes méthodes de la caractérisation de l’adhérence dans les assemblages collés et de pouvoir modéliser le comportement associé. La première partie de la thèse consiste en une étude bibliographique des essais mécaniques permettant de caractériser l’adhérence. Ceux-ci sont classés en distinguant les essais en propagation et ceux en initiation de rupture. Cet état de l’art fait ressortir l’intérêt de l’utilisation de l’essai de flexion 3 points et de butt joint pour cette étude. La seconde partie de la thèse présente les différents matériaux utilisés et les différents traitements de surface permettant de faire varier l’adhésion des adhésifs au substrat. La troisième partie présente le cœur de ces travaux de thèse qui est l’essai de flexion 3 points. L’étude montre que cet essai de flexion 3 points permet, avec les adhésifs de l’étude, d’initier systématiquement une rupture adhésive localisable à la surface du substrat. Une approche énergétique a permis de déterminer un critère d’adhérence indépendant des paramètres physiques des matériaux et des dimensions de l’éprouvette. D’autre part, il a été montré que plus l’épaisseur du substrat est fine, plus les résultats de mesure de l’adhérence sont précis. Enfin, une quatrième partie s’attèle à la modélisation numérique par la méthode des éléments finis. Les résultats obtenus montrent que la contrainte d’ouverture en mode I est celle qui initie la rupture. En conclusion, l’essai de flexion 3 points permet de mesurer l’énergie d’initiation de rupture adhésive
This thesis deals with the development of a mechanical test for the characterization of the practical adhesion of an adhesive to a substrate. The aim is to study the different methods of characterization of the adhesive strength in bonded joints and to model the associated behaviour. The first part of the thesis consists of a bibliographic study of the mechanical tests to characterize this adhesive strength. These tests are classified by distinguishing them in propagation or in initiation of rupture. This state of the art demonstrates the advantage of using the 3-point bending and the butt joint tests for this study. The second part of the thesis presents the different materials and the various surface treatments used to vary the adhesion of adhesives to the substrate. The third part presents the core of this thesis work which is the 3-point bending test. The study shows that this 3-point bending test leads systematically to initiate a localizable adhesive rupture on the surface of the substrate, at least for the adhesives used in our study. An energy approach of the test allows to determine an adhesion criterion independent of the physical parameters of the materials and dimensions of the specimen. On the other hand, it has been shown that the thinner the substrate, the more precise the results of the adhesive strength. Finally, a fourth part is devoted to numerical modelling by the finite element method. The results obtained show that opening constraint in mode I is that which controls the rupture. In conclusion, the 3-point bending test clearly allows to measure the energy of the adhesive rupture initiation

L’assemblage par collage est une technique de plus en plus utilisée dans les industries aéronautique, aérospatiale et médicale. L’étude des assemblages est d’une grande importance et nécessite le développement de techniques de contrôle des performances, autant au niveau mécanique, que physico-chimique. Dans cette étude nous abordons plusieurs problématiques liées au collage. La première approche est purement mécanique, avec la mise au point d’un essai à simple levier ou « Single Cantilever Beam adhesion test » (SCB), variante du « Wedge test » dans lequel une charge constante est appliquée a une extremité libre d’un adhérent causant un moment de flexion nécessaire à la rupture du joint. A travers cet essai, différents phénomènes (pré-fissuration, plasticité, …) on été observés et traités afin d’analyser les énergies de ruptures dans le joint de colle.L’une des préoccupations majeures, et seconde approche de ce projet sur l’étude des assemblages collés, est le vieillissement humide. Les effets du vieillissement sont analysés par SCB. La compréhension du vieillissement doit passer par une meilleure connaissance de la cinétique de diffusion, une technique d’impédancemétrie, dérivée de l’électrochimie, est donc proposée pour analyser la prise d’eau dans le joint collé. L’atout de cette dernière technique est de donner accès à la cinétique de diffusion in situ et dans des géométries proches des échantillons utilisés lors des essais mécaniques
Structural adhesives are increasingly used in the aeronautics, aerospace and medical industrie, leading to the necessity to develop new tools for the assessment of adhesives, both mechanically and physico-chemically.This study deals with two types of technique to quantify the durability of adhesive joints. The first approach is purely mechanical. We adopt a Single Cantilever Beam adhesion test (SCB) in which a constant load is applied at the free end of a flexible beam, leading to a couple inducing fracture of the adhesive joint. From this test, different phenomena have been observed (pre-crack behaviour, plasticity, ...), analysed and quantified, to give a better appraisal of adhesive fracture.The second approach deals with adhesive ageing in water. The characterisation of water diffusion is of prime importance in many practical situations. A technique of impedancemetry, based on electrochemical techniques, is applied to the characterisation of diffusion and absorption properties of adhesives. A major asset of this technique is to be able to follow diffusion measurement in situ

L'utilisation des goujons collés dans les structures bois répond au souci de conservation du bâti et de discrétion de l'intervention. A ce jour, plusieurs procédés de caractérisation et de dimensionnement sont disponibles, sans pour autant donner un socle commun à l'évaluation de la résistance des assemblages collés. L'utilisation des goujons collés suscite des interrogations concernant leur tenue au feu. Bien que le matériau bois entourant les tiges de renforcement soit isolant, il est nécessaire de fournir de plus amples estimations concernant la tenue mécanique des polymères pour différentes températures que l'on pourrait trouver au sein d'une liaison au cours d'un incendie. La présente étude permet de coupler méthodes expérimentales et simulations numériques, afin d'appréhender les mécanismes gouvernant la rupture de ces assemblages. La caractérisation expérimentale permet d'estimer les propriétés mécaniques locales des assemblages suivant divers paramètres (les longueurs de scellement, l'orientation du fil du bois, l'essence de bois, ou encore la température d'exposition), ainsi que les propriétés intrinsèques aux matériaux constitutifs. Cette base de données expérimentale est indispensable pour l'ajustement du modèle aux éléments finis en élasticité linéaire. L'approche numérique met en évidence une présence importante de contraintes normales en tête de collage, avant l'apparition de contraintes de cisaillement. Les outils de la Mécanique Linéaire Élastique de la Rupture équivalente permettent d'établir des courbes de résistance liées à chaque mode de ruine (mode I et mode II). Enfin, afin de décrire précisément le processus complet de rupture de ces assemblages, un critère de rupture en mode mixte (mode I et mode II) est utilisé. Une formulation analytique permettant d'estimer la charge au pic est proposée et permettra la réalisation d'abaques de dimensionnement des assemblages par goujons collés, utilisables en bureau d'études.

L'adhérence moléculaire est une technique d’assemblage basée sur la mise en contact directe de deux surfaces sans utiliser aucune colle ou produit spécifique à l’interface. Une telle opération nécessite que les surfaces à coller soient suffisamment lisses et qu’elles soient suffisamment rapprochées pour provoquer l’adhérence moléculaire. La caractérisation de la tenue mécanique de ce type d’assemblage par des essais mécaniques classiques de type pelage, clivage ou double cisaillement présentent des dispersions de mesures très importantes.Le premier objectif de ce travail concerne la conception et le développement d’un nouvel essai pour l’analyse de l’amorçage de fissure permettant d’obtenir des résultats moins dispersés que les essais classiques notamment pour des colles fragiles de faible épaisseur comme l’adhésion moléculaire. Seul le mode I a été étudié et un montage de type DCB modifié a été proposé pour étudier l’amorçage pour différentes géométries de bord (homogène, concentration de contrainte élevée, …).Le second objectif se propose, en partant des différents résultats expérimentaux obtenues, de comparer des approches (PSC, CC, MZC) qui permettent de prédire l’amorçage de la fissure pour des colles fragiles et en particulier pour l’adhérence moléculaire. L’idée est de proposer une solution simple aux ingénieurs souhaitant prédire la rupture dans un assemblage collé avec une épaisseur de colle tendant vers zéro
Direct bonding by molecular adhesion is a bonding technique based on joining two surfaces into direct contact without the use of any adhesives or additional material. Such an operation requires the surfaces that are to be bonded to be sufficiently smooth and for them to be sufficiently close together to allow contact to be initiated. Mechanical characterization of this type of assembly with classical mechanical test as for instance wedge test, cleavage test or double shear test present a highly defects sensitivity on mechanical results.The first objective of this work concerns the design and the development of a new test for the analysis of crack initiation in order to obtain results less dispersed than conventional tests particularly for fragile adhesives with small thickness as molecular bonding. Only the mode I was investigated and an experimental device based on modified DBC classical test is proposed to study crack initiation with different edge geometries (homogeneous, high stress concentration).The second objective proposed, in starting from the different experimental results obtained, to compare some approaches (PSC, CC, MZC) to predict crack initiation for fragile adhesives and in particular for molecular bonding. The idea is to propose a simple methodology for engineers in order to predict fracture in an assembly bonded with an adhesive thickness close to zero

Les matériaux composites sont utilisés dans le domaine maritime depuis des dizaines d’années que ce soit par exemple pour les éoliennes offshore ou encore les navires militaires étant donné leurs propriétés intrinsèques avantageuses pour de telles applications (faible masse, faible signature magnétique ...). Jusqu’ici les composites employés sont surtout composés de fibres de verre et de matrice polyester. Cependant, les demandes croissantes de navires toujours plus légers et rapides conduisent peu à peu les industriels à se tourner vers les composites à haute performance composés de fibres de carbone et de matrice époxyde. L’utilisation de cette nouvelle génération de matériau nécessite de connaître l’influence de l’endommagement plan, qui peut être d’origine hydrique ou mécanique, sur leur tenue hors-plan. Cette étude a montré une diminution importante de l’enveloppe de rupture du matériau étudié lorsqu’il a séjourné en eau de mer jusqu’à saturation. La résistance en traction hors-plan du composite n’est quant à elle que très peu affectée par la présence de fissures transverses dans le matériau, quel que soit son état de vieillissement. Des travaux ont également été menés sur des assemblages composites collés et mis en avant à la fois la chute de la tenue de l’assemblage due à la présence d’eau de mer dans la matrice époxyde, mais également la nécessité de la prise en compte du couplage endommagement plan/endommagement hors-plan pour la prédiction de la tenue hors-plan de tels assemblages. Enfin, différentes méthodes de prédiction ont été utilisées pour valider les résultats expérimentaux confirmant ainsi l’importance de la prise en compte de l’endommagement plan sur la tenue hors-plan des composites et des assemblages composites collés
Composite materials have been used in marine applications for decades for offshore windmills or even battleships because of its intrinsic properties which are assets for such applications (low weight, low magnetic signature...). Until now the composites used are almost made of glass fibers and polyester matrix. However the increasing demand for faster and lighter ships gradually leads manufacturers to turn to high performance composites made of carbon fibers and epoxy matrix. Using this new generation of material requires knowing the influence of the in-plane damage which can be due to water or mechanical damage on its out-of-plane strength. This study has shown a significant reduction of the out-of-plane failure envelope of the studied material after an extended stay in seawater until the saturation point.The out-of-plane tensile strength of the composite is very little affected by transverse cracking in the material whatever the aging state. Work has also been carried out on composite bonded assemblies and pointed out, on the one hand, the drop of the assembly strength because of the water aging and, on the other hand, the necessity to take into account the coupling between in-plane and out-of-plane damage for the prediction of the out-of-plane strength of such assemblies. Finally, different methods of prediction have been used to validate the experimental results confirming the importance to take into account the in-plane damage to predict the out-of-plane strength of composites and composite bonded assemblies

Les travaux avaient pour objectif l'identification des modes de rupture d'assemblages collés de matériaux composites et la mise au point de méthodes prédictives de leur résistance mécanique. Les matériaux considérés étaient des composites aéronautiques (carbone/époxy) assemblés par des adhésifs époxy. Une étape expérimentale a porté sur des éprouvettes à simple recouvre-ment en faisant varier l'orientation du pli de composite au contact de l'adhésif, l'épaisseur d'adhésif, la largeur de l'éprouvette et la nature de l'adhésif. A part le cas des assemblages pour lequel le pli de composite au contact de l'adhésif était très incliné par rapport à la direction de l'effort mécanique, le mode de rupture observé correspondait à un arrachement très superficiel du pli de composite au contact de la colle. Les efforts de modélisation se sont portés sur ce mode de rupture. Une méthode de calcul a été développée à cette fin. Elle comprend une première étape de calcul, réalisée à partir du code Eléments Finis ABAQUS, qui ne demande pas à un très grand raffinement de maillage. Les résultats de la première étape servent de données d'entrée à un logiciel d'analyse d'effets de bords qui fournit un calcul plus exact des contraintes présentant des variations très rapides dans la zone d'interface entre l'adhésif et le composite. Un critère de rupture a été identifié : il correspond à l'évaluation de la contrainte normale perpendiculaire au composite (contrainte de pelage) à une distance caractéristique de l'interface. Le critère ainsi identifié a ensuite servi au calcul d'un cas industriel (liaison collée poutre/cabine d'un hélicoptère) fourni par EUROCOPTER. La prédiction de la force à rupture s'est avérée exacte.

Les joints adhésifs époxy sont fortement développés dans les applications aéronautiques. Ces assemblages collés doivent supporter des sollicitations d'impact, de sorte que la rupture doit être modélisée. Or, les mécanismes de rupture de l'adhésif sont sensibles à la vitesse de chargement. De plus, la rupture survient généralement sous un chargement mixte entre traction et cisaillement. Cependant, les modèles à zones cohésives actuels ne prennent pas en compte l'éventuel couplage entre mixité et vitesse de chargement. L'objectif de ces travaux est donc de caractériser le comportement à rupture d'un adhésif sous chargement dynamique multiaxial. Pour celà, un nouveau protocole expérimental est développé. Avec le même montage, de faibles variations sur la géométrie des éprouvettes permettent de couvrir toute l'enveloppe de rupture, de la traction au cisaillement. Le chargement dynamique est effectué à l'aide d'une machine de traction servohydraulique. La validité du protocole sous chargement quasi-statique est expérimentalement démontrée par comparaison avec un essai de référence dans l'existant. Les ruptures en mode II et en mode III s'avèrent équivalentes. De plus, la ténacité diminue à haute vitesse de chargement, quelque soit la mixité de mode. Enfin, un critère de rupture est défini afin de prendre en compte à la fois l'influence de la mixité de mode, et celle de la vitesse de chargement, sur la ténacité
Adhesive joints are widely developed in aeronautical applications. These bonded assemblies have to support dynamic impact sollicitations and failure has to be predicted. The material viscous failure mechanisms in the adhesive are rate sensitive. Moreover, the joint failure usually occurs under a mixed-mode combination of traction and shear loading. However, current cohesive zone models do not take into account the possible coupling between loading rate-dependency and the mode mixity. The aim of this work is consequently to characterize the fracture behaviour of adhesives under mixed mode dynamic loadings. For that purpose, a new experimental protocol is developed. With the same equipment, small variations of specimen's geometry are employed to cover the wide range from traction to shear loading. The dynamic loading is achieved using a servohydraulic testing machine. The validity of the protocol under quasi-static loading is experimentally confirmed by comparison to a reference test. The quasi-static fracture toughness and failure surfaces are found equivalent under shear mode II and mode III. Moreover, the fracture toughness is found to decrease when rising the loading rate, whatever the mode mixity. Finally, a failure criterion is defined to take into account both the rate and mixed mode in uence on the fracture toughness

L’appréciation de la tenue mécanique des structures collées a fait l’objet de nombreux travaux ces dernières années dont la majorité a porté sur des structures en aluminium ou en acier non revêtu. Cette tenue, généralement testée par un essai de cisaillement sur éprouvette à simple recouvrement, est le plus souvent considérée sous un seul aspect soit chimique, soit physicochimique, soit encore mécanique. Le joint collé étant constitué en fait des substrats, de la colle et des différentes interfaces et interphases, il nous a paru nécessaire de conjuguer plusieurs techniques afin de cerner le problème sous tous ses aspects. D’un point de vue pratique, le support de cette étude est la tôle d’acier galvanisée qu’est un matériau très largement employé depuis de nombreuses années dans les domaines de la construction et de la mécanique en particulier. Cependant, malgré son image traditionnelle, ce produit évolue de façon spectaculaire : progressivement, ses propriétés mécaniques et sa résistance à la corrosion s’améliorent grâce à des procédés techniques nouveaux ou à des additions d’éléments d’alliages, et des traitements chimiques superficiels développent chaque jour la proportion de tôles qui entrent en fonction dans de nombreux domaines. L’aptitude au collage de ce matériau dépend semble-t-il en grande partie de sa composition chimique superficielle et de sa rugosimètrie que l’on cherche à optimiser par différents traitements. Ce travail comporte une première partie portant sur une étude bibliographique critique des différents essais mécaniques relatifs aux assemblages collés ainsi que les divers paramètres pouvant influer sur les caractéristiques mécaniques à mesurer. Une deuxième partie est consacrée à l’étude de l’influence des différents paramètres constituant le joint sous deux types de sollicitation basée sur la R. D. M. Classique (traction et cisaillement). Enfin une troisième partie traite de l’application de la mécanique de la rupture aux structures collées, ainsi que l'utilisation et du traitement des signaux d’émission acoustique.

La durabilité des assemblages collés du génie civil est abordée à travers deux approches complémentaires aux échelles micro et macroscopiques. La zone interfaciale pâte de ciment / adhésif époxy est d'abord caractérisée par micro-analyse thermique (µTA) et microscopie électronique, ce qui a permis de révéler l'existence d'une interphase polymère (gradient de TG dans l'adhésif à proximité du substrat) et d'une zone de transition (pénétration du polymère dans le substrat). Par ailleurs, l'effet du vieillissement hygrothermique se traduit par la plastification du réseau époxy à court terme et par une reprise du processus de réticulation à plus long terme. La résistance mécanique des assemblages collés est ensuite étudiée au moyen d'un test de clivage. Avant vieillissement, la rupture des assemblages est généralement cohésive dans le support cimentaire. Le vieillissement hygrothermique engendre un affaiblissement de l'interface et déplace le lieu de fissuration vers la zone de transition

Des patchs en matériaux composites sont classiquement utilisés dans l'aéronautique pour réparer ou renforcer des structures métalliques. Ces deux types de matériaux présentent cependant des coefficients de dilatation très différents. De ce fait, leur assemblage, soumis à de grandes variations de température en cours de fonctionnement, est le siège de contraintes pouvant provoquer la rupture ou le décollement du patch. Afin d'évaluer précisement les distributions de contraintes dans l'assemblage collé, différents modèles de calcul ont été proposés : d'abord un modèle analytique bidimensionnel mettant en évidence des effets liés à la géométrie plane de la structure, puis un modèle thermo-viscoélastique intégrant le comportement non-linéaire de la colle en fonction du temps et de la température. Ces modèles ont été ensuite partiellement validés expérimentalement sur des éprouvettes patchées en utilisant des méthodes de mesure de champs

L’essai de type simple recouvrement est très largement utilisé dans l’industrie automobile pour évaluer la compatibilité entre une tôle d’acier et une colle. Dans ce cadre, deux critères de validation ont été définis par les constructeurs automobiles : un chargement à rupture minimum, et un facies de rupture cohésif. La rupture au niveau de l’interface colle/acier (rupture interfaciale), ne permet pas d’attester d’une bonne adhésion entre la colle et la tôle, elle n’est donc pas acceptée. Ainsi dans certains cas, l’assemblage n’est pas validé à cause de son faciès de rupture, même s’il démontre une résistance mécanique élevée. Une meilleure compréhension du phénomène de rupture interfaciale permettrait d’adapter le cahier des charges des constructeurs automobiles. Le premier objectif de la thèse a été de comprendre les mécanismes de rupture qui peuvent engendrer une rupture interfaciale. Des études expérimentales et numériques ont montré que la rigidité de la tôle a une forte influence sur la cinématique de déformation de l’éprouvette (rotation, plasticité de la tôle, effet de bords), et qu’elle influe beaucoup sur le faciès de rupture. La déformation plastique de la tôle semble être un paramètre-clef favorisant la rupture interfaciale. En effet, une étude à l’échelle microscopique sur la structure hétérogène du revêtement galvanique de la tôle a mis en évidence la présence de déformations localisées très importantes, qui semblent capable d’endommager l’interface collée. Le second objectif de la thèse a été de caractériser mécaniquement une interface tôle/adhésif. Deux méthodes complémentaires ont été proposées. La première consistait à caractériser l’interface dans des conditions « pures » de sollicitation, grâce à l’essai Arcan modifié. La seconde méthode a permis d’évaluer la capacité de l’interfaces à résister à un effet de bord, grâce à un essai de flexion trois points sur une éprouvette en coin
The single lap-shear test is widely used by carmakers to characterize the adhesion of bonded joints. Two criteria govern the validation of the adhesion properties in the bonded joints: the shear strength and the failure mode which has to be cohesive. However, in some special cases, particularly when thin mild galvanized steel substrates were bonded with structural toughened adhesive, an interfacial pattern is obtained instead of cohesive failure. So the bonded assembly is not accepted even if its shear load at failure is high. A better understanding of the interfacial failure is required to adapt the carmakers specifications. The first objective of the PhD thesis was to analyze the critical phenomenon which favor the interfacial failure during single lap test. Substrate rigidity has significant effect on the failure pattern, because it influences the kinematic of deformation of the sample (rotation, steel plasticity, edge effect). Steel plasticity has been identified as a key factor for interfacial failure. The galvanized coating of the steel has a heterogeneous structure, which generate significant heterogeneous strain that could damage the interface. The second objective was to characterize the strength of the substrate-adhesive interface. Two methods have been proposed. The first one enable to measure the strength of an interface which homogeneous loading without edge effect (modified Arcan test). In the second method, the interface capability to resist to edge effects has been assessed. Thus, three different interfaces have been characterized using a three point bending test and thanks to an optical microscopy in situ analysis

Dans la conception et la fabrication des structures, l'assemblage des composants est une étape cruciale en termes de durabilité et de fiabilité. Les techniques l'assemblage dites mécaniques telles que le boulonnage, le rivetage et le soudage entre autres, ont longtemps été celles traditionnelles. Toutefois, les avancées dans l'étude et l'analyse de la fissuration au sein des matériaux ont permis de mettre en évidence certains de leurs inconvénients en tant que cause de rupture de ces structures à travers les concentrations de contraintes localisées et/ou l'altération mécanique ou thermique des propriétés locales des pièces assemblées. Ainsi, des techniques alternatives tel que le collage structural ont été développées permettant de s'affranchir ou plutôt de réduire ces effets indésirables lors de l'assemblage, pour le peu que le processus soit bien maîtrisé. Parmi les avantages les plus connus, le collage permet d'une part une meilleure transmission et répartition des efforts à l'interface réduisant ainsi l'endommagement en fatigue et augmentant la durée de vie de l'assemblage, et d'autre part, de conserver l'intégrité des pièces à assembler. D'autres avantages proviennent également de la conception des adhésifs structuraux qui, après l'application de traitements physico-chimiques permettent d'ajouter des propriétés thermiques, acoustiques et d'étanchéité.Malgré ces avantages, le collage souffre d'une réputation de non fiabilité due aux manques d'outils de prédiction du comportement des joints collés. En effet, les paramètres qui influent sur le comportement de l'interface sont nombreux et sont souvent sources de variabilité sur la résistance du joint de colle. L'étude de cette ténacité des joints d'adhésif s'effectue grâce à des essais de fissuration selon différents modes de rupture qui cherchent à mesurer l'énergie de fissuration de l'assemblage. La connaissance de cette énergie permet d'être prédictif dans la plupart des cas sur la propagation des fissures pour le peu que nous soyons en mesure de décrire et de prédire le comportement de l'interface.D'un point de vue numérique, de nombreuses techniques et formulations de loi de comportement ont été proposées dans un souci de reproduire le comportement de l'interface au sein des assemblages. Parmi ces dernières, celle des lois de zone cohésive semble être une voie des plus prometteuses en terme de modélisation et de simulation des interfaces par son caractère local et discret. Parmi les avantages qu'elles procurent demeurent la prise en compte intrinsèque de l'endommagement et des phénoménologies du comportement du joint collé. En outre, de nombreuses études ont été entreprises pour identifier ces lois de zone cohésive en comparant des observations issues d'essais de fissuration et des sorties de modèle où elles sont utilisées. Cette identification se fait au moyen d'algorithmes itératifs de minimisation d'une fonction coût qui mesure la métrique entre observations et sorties de modèles. Toutefois, peu d'importance est attachée d'une part, aux sensibilités des techniques de mesure employées par rapport aux paramètres de loi de zone cohésive, et d'autre part, sur les incertitudes associées aux paramètres de loi de zone cohésive identifiés. À notre connaissance, aucun travail sur ces deux derniers aspects n'a été mené et constitue ainsi le principal propos de ce mémoire de thèse. [...]
In the design and manufacture of structures, assembly of components is a crucial step in terms of durability and reliability. Mechanical assembly techniques such as bolting, riveting and welding, among others, have long been traditional. However, advances in the study and analysis of cracks within materials have made it possible to highlight some of their disadvantages as a cause of rupture of these structures through localized stress concentrations and / Mechanical or thermal alteration of the local properties of the assembled parts. Thus, alternative techniques such as structural bonding have been developed which make it possible to eliminate or rather reduce these undesirable effects during assembly, for the little that the process is well controlled. Among the best known advantages, bonding allows, on the one hand, a better transmission and distribution of forces at the interface, thus reducing fatigue damage and increasing the service life of the assembly and, on the other hand, maintain the integrity of the parts to be assembled. Other advantages also arise from the design of structural adhesives which, after the application of physicochemical treatments, make it possible to add thermal, acoustic and sealing properties.Despite these advantages, bonding suffers from a reputation for unreliability due to the lack of tools for predicting the behavior of bonded joints. Indeed, the parameters which influence the interface behavior are numerous and are often sources of variability on the strength of the bonded joint. The study of this toughness of the adhesive joints is carried out by means of crack tests according to different modes of fracture which seek to measure the assembly crack energy. The knowledge of this energy makes it possible to be predictive in most cases on cracks propagation for the little that we are able to describe and predict the interface behavior.From a numerical point of view, numerous techniques and formulations of interface law have been proposed in order to reproduce the interface behavior within the assemblies. Among the latter, that of the cohesive zone laws seems to be one of the most promising ways in terms of modeling and simulation of the interfaces by its local and discrete character. Among the advantages that they provide are the intrinsic consideration of damage and behavior phenomenologies of bonded joint. In addition, numerous studies have been undertaken to identify these cohesive zone laws by comparing observations from crack tests and model outputs where they are used. This identification is done by means of iterative minimization algorithms of a cost function which measures the metric between observations and models outputs. However, little importance is attached, on the one hand, to the sensitivities of the measurement techniques used in relation to the cohesive zone law parameters and, on the other hand, to the uncertainties associated with the identified cohesive zone law parameters. To our knowledge, no work on these two aspects has been conducted and is thus the main purpose of this thesis. [...]

La présente thèse consiste à effectuer une étude numérique et optimisation de conception des poutres mixtes acier-béton assemblées par collage. Ce type de poutre mixte dispose d’avantages particuliers par apport à la poutre mixte traditionnelle au niveau du transfert des efforts entre le béton et l'acier et la liaison béton-acier. Elle est devenue de plus en plus attractive dans le secteur industriel. L'objectif de ce travail est de fournir une compréhension fondamentale, de proposer un modèle numérique et de donner une optimisation de conception des poutres mixtes acier-béton assemblées par collage…
In this thesis, numerical study and design optimization problems for the bonded steel-concrete beam are addressed. The steel-concrete composite beam bonded by adhesive has its particular advantages over the traditional composite beam and is attracting increasing attentions. The aim of the present study is to provide a fundamental understanding as well as the computational framework of numerical simulation and design optimization of bonded composite beams…

Des tests de fissuration ont été réalisés sur des joints collés asymétriques. Ces assemblages asymétriques sont constitués de deux substrats de nature et/ou d’épaisseur différentes liés par un adhésif. Cette géométrie d’éprouvette semble peu utilisée pour effectuer des essais de fissuration. Elles présentent certains inconvénients et de ce fait n’ont fait l’objet d’aucune normalisation. Dans le cadre cette géométrie d’éprouvette d’essai a été néanmoins été retenue et utilisée dans trois configurations différentes pour la caractérisation mécanique des assemblages collés. Des protocoles d’essai et les schéma d’analyse associés ont été définis pour des essais de fissuration à vitesse de déplacement imposé (CRT : Constant Rate Test), à force imposée (CFT : Constant Force Test) ainsi qu’à déplacement imposé (CDT : Constant Displacement Test). Les analyses ont pu être étalonnées au moyen d’un étau matérialisant artificiellement la position d’un fissure. De nombreuses configurations ont été étudiées à l’occasion de ce travail tant du point de vue des adhésifs utilisés (epoxy, cyanoacrylate, acrylic mastic, PSA) que du point de vue des substrats encollés (alliage d’aluminium, composite à matrice organique, polycarbonate). Ces nouveaux tests s’avèrent prometteurs car ils permettent de suivre de façon continu et précision la propagation de fissure au sein de la liaison. En outre, l’analyse des déformations mesurées par extensométrie lors d’essai réalisés à déplacement imposé (CDT) permet un suivi précis de la réponse de la couche adhésive dans la zone contrainte et d’estimer la taille de cette dernière, y compris lorsque la colle est dans un état métastable. Un autre résultat important de ce travail concerne l’analyse de la modification du front de fissure celle-ci voit une diminution de l’adhésion entre les deux substrats. Enfin, un calcul plus précis du taux de restitution d’énergie a été proposé pour prendre en compte le caractère élastique de la couche adhésive, mais permettant aussi de mieux appréhender la redistribution des contraintes dans la colle, et ainsi mieux interpréter les essais mécaniques réalisés. Des analyses par Microscopie à Force Atomique (AFM) ainsi qu’au microscope électronique à balayage (MEB) ont été effectués sur les substrats encollés pour évaluer l’impact des traitements de surface. Des simulations numériques par la method des éléments finis ont été réalisées pour determiner l’état de contrainte dans nos éprouvette d’essai et ainsi expliquer la courbure du front de fissure et les faciès de rupture observés. Les nouvelles configurations expérimentales décrites dans ce manuscript nous paraissent prometteuses car elle offrent une amelioration très significative en terme de fiabilité et précision comparativement aux tests présentés habituellement pour ce type de travaux
Adhesion was studied in asymmetric bonded joints using fracture mechanics tests. The asymmetric bonded joints consist of two different type and/or thickness materials bonded by an adhesive. Mentions of asymmetric bonded joint tests employed so far are rare in the literature. They are imperfect and therefore are not standardized. Accordingly three new tests were introduced in this work to study bonded joints. The new metrological routines and models were built for the CRT (Constant Rate Test), CFT (Constant Force Test) and the CDT (Constant Displacement Test). The routines were validated with the new Artificial Crack Tip test developed in this thesis. Different bonded systems were examined: the adhesives - epoxy, cyanoacrylate, acrylic mastic, PSA; the bonded adherends - aluminium alloys, CFRP composites and polycarbonate. The results obtained in the new tests are very promising in terms of the accuracy and continuous observation of crack kinetics. In addition it was found that the novel strain gauge technique, introduced in the CDT, test allows precise joint monitoring when the adhesive is in a metastable state and a precise estimation of process zone. Another interesting achievement of this work was describing the phenomenon of double crack curvature in the vicinity of the strong – weak adhesion transition zone. The next achievement was derivation of the strain energy release rate from the elastic foundation model, which gives better understanding of the mechanics and the measurements behind adhesive bonding. Atomic Force Microscope (AFM) and Scanning Electron Microscope (SEM) studies were made of the bonded substrates to estimate the surface treatment effects. The stress state in asymmetric geometry was studied using finite element analysis (FEA), which explained the formation of the curved crack front and the origin of river patterns. The new tests developed in this study appear promising since they offer accurate and reliable results for the materials tested
W pracy przedstawiono wyniki badan asymetrycznych zlaczy adhezyjnych z wykorzystaniem prób mechaniki pekania. Asymetryczne zlacza klejone powstaja przez polaczenie dwóch dowolnych materialów, o innym wskazniku na zginanie, za pomoca kleju. Zaproponowano trzy nowe metody eksperymentalne dla których zaprojektowano i zbudowano stanowiska badawcze. Poprawnosc modeli fizycznych i matematycznych wykorzystanych do interpretacji badanych zjawisk potwierdzono wykorzystujac opracowana w pracy próbe ze sztucznym frontem pekniecia. Próby przeprowadzono na zlaczach klejonych wykorzystujac kleje: epoksydowe, cjanoakrylowy, typu Mastic i PSA, laczonymi materialami byly: stopy aluminium, kompozyt weglowy oraz poliweglan. Wyniki badan uzyskane przy wykorzystaniu nowych metod wskazuja na ich pewnosc i dokladnosc, dodatkowo umozliwiaja ciagla obserwacje propagujacego pekniecia. Nowa metoda pomiaru parametrów mechaniki pekania oparta na pomiarach tensometrycznych zostala z powodzeniem zastosowana do zlaczy w których klej znajduje sie w stanie metastabilnym. W pracy zaobserwowano i przeanalizowano zjawisko powstawania podwójnego frontu pekniecia na granicy osrodków o róznych silach adhezji, dotad nie opisanego. Po raz pierwszy wyprowadzono równanie szybkosci uwalniania energii sprezystej wykorzystujac model belki na sprezystym podlozu, co umozliwia lepsze zrozumienie zachowania sie zlaczy klejonych. Przeprowadzone badania z uzyciem mikroskopii sil atomowych (AFM) oraz skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) umozliwily ocene efektów obróbki powierzchniowej stopów aluminium. W pracy dokonano analizy naprezen w asymetrycznych zlaczach adhezyjnych z wykorzystaniem metody elementów skonczonych (FEM). Analiza FEM pozwolila na wyjasnienie zjawiska powstawania zakrzywionego frontu pekniecia w badanych przelomach. Zaproponowane nowe metody badan zlaczy asymetrycznych zapewniaja dokladnosc i pewnosc pomiaru dla materialów wykorzystanych w badaniach

Dans ce travail, nous avons déterminé les corrélations entre un test de détermination de la résistance de l'assemblage collé basé sur les principes de la mécanique de la rupture, et, des mesures d'énergie de surface et de rugosité caractérisant l'état de surface du substrat en acier galvanisé. La corrélation montre qu'une action conjuguée des deux paramètres rugosité et énergie superficielle du substrat peut optimiser l'énergie de propagation. L'effet de la vitesse de sollicitation (0. 5, 5, 50 et 500 mm/mn) ainsi que celui de l'épaisseur de joint (720, 360, 180 et 120 um) a été observé. En terme d'énergie de rupture la vitesse et l'épaisseur semblent avoir le même effet sur la résistance de la structure collée. L'émission acoustique a été utilisée pour détecter l'amorçage microscopique et suivre l'évolution de la fissure en cours de propagation
In this study we have been tenting to bind a surface property (roughness and surface energy) of galvanised steel which it prepared of four different treatments (cleaning attack acid and basic, parcodine) with a mechanical behaviour of adhesively bonded assemblies. The bind show which conjugate roughness and superficial energy action of substrate can be optimised the propagation energy. The effect of solicitation rate (0. 5, 5, 50 and 500 mm/mn) and adhesive bond thickness (720, 360, 180 et 120 um) have been observed. For propagation energy term, the solicitation rate and adhesive bond thickness seems to that have a same effect on adhesively bonded structure toughness. For the characterization of the beginning of the microscopic damage and of the crack propagation, we have, in parallel with the test, recorded the acoustic emission from the specimen

Les lanceurs spatiaux sont des structures complexes associant une multitude de composants. L’assemblage de ces éléments doit répondre à un niveau de performance élevé. Le collage structural demeure un bon candidat en raison des nombreux avantages qu’il présente. Cependant, cette technologie montre des inconvénients. En raison des changements brusques de géométrie et de propriétés matériaux, des concentrations de contraintes apparaissent aux extrémités du joint de colle. Ce phénomène appelé effets de bords est néfaste pour la tenue mécanique de l’assemblage collé. La présence des effets de bords exclut l’utilisation de critères en contrainte utilisés classiquement. Le dimensionnement d’assemblages collés requiert des outils fiables prenant en compte ces effets de bords. Dans cette étude, un modèle de ruine incrémentale, associant une approche en contrainte et en énergie, est utilisé. L’utilisation de cet outil dans un cadre industriel, impose de répondre aux besoins d’un Bureau d’Études, notamment en termes de coût de calculs. Afin de le diminuer, une implémentation semi-analytique, est tout d’abord développée. Puis, une seconde méthode d’implémentation, basée sur la méthode des Eléments Finis, permet une prévision plus précise de la ruine d’un assemblage. La pertinence de ces deux approches a été vérifiée pour plusieurs configurations de joints collés. Des campagnes d’essais, destinées à confronter les résultats expérimentaux aux prévisions numériques, ont été réalisées. Dans le cadre de ce travail, un montage de collage et d’essai pour assemblages tubulaires a en particulier été développé. L’objectif du pré-dimensionnement est d’identifier une zone d’intérêt dans l’ensemble du domaine d’étude. Aussi, une étude paramétrique peut être requise afin de réaliser cette tâche. Afin de réduire le coût de calcul, une méthode d’interpolation spatiale appelée Krigeage a été mise en œuvre, et permet la construction efficace d’une surface de réponse
Space Launchers are complex structures composed of a large number of elements. The assembling of these components must show a high level of reliability. The use of adhesive bonding technology is an interesting solution since it presentsseveral assets compared to “classical” joint techniques (such as riveting, bolting and welding), mainly because it can help to construct lighter and less energy consuming systems However„ the implementation of adhesives also has somedrawbacks. Due to the strong variations of geometrical and material properties, stress concentrations appear at the extremities of the joint. This phenomenon; called edge effects; has a great influence on the failure of the bond. As a result, the simple use of a classical stress or energetic criteria is not appropriate to predict the fracture of such structures. Therefore, it is obvious that the design of bonded assemblies requires reliable tools to take the edge effects into account. In this work an incremental failure model, which combines the stress and energetic criteria, is used. In order to decrease the computational cost, a semi-analytical application of this model is proposed. This is intended to make the approach more interesting to be implemented in an industrial environment. The accuracy of the prediction of the failure load is enhanced by means of the Finite Element method. The reliability of both the semi-analytical and Finite Element approaches is verified by comparing the model predictions with experimental data issued from double-notched Arcan and tubular specimen geometries. The aim of the pre-design phase is to identify the critical area in the whole range of the application of the studied geometry. Therefore, the realization of a parametric study is required in order to build a response surface. In the present study, this has been achieved by means of spatial interpolation using the Kriging model

Reproduction de : Thèse doctorat : Génie civil et mécanique : Reims : 2009. Reproduction de : Thèse doctorat : Génie civil et mécanique : Dalian University of Technology : 2009.
Thèse rédigée en anglais - Résumé en français et en anglais. Thèse soutenue en co-tutelle. Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. p. 121-132.