Initiation and propagation of cracks in bonded assemblies subjected to cyclic loading for different mode mixes
Amorçage et propagation de fissures dans les assemblages collés soumis à des chargements cycliques pour différentes mixités de mode
Résumé
This thesis was carried out as part of co-financing between Région Bretagne and Safran Composites, a major player in the aeronautics sector. This sector has experienced strong growth in terms of production and growth in air traffic. In order to meet new environmental regulations, new solutions are being implemented to reduce fuel consumption, which involves, in particular, reducing the weight of structures in service. One of the solutions adopted by players in the aeronautics sector is the use of bonding in assembly techniques. Its use makes it possible to overcome many problems such as corrosion and thus makes it possible to reduce the weight of structures unlike conventional assembly techniques (bolting, riveting...). The use of adhesives, however, remains limited by restrictive certifications intended to ensure the strength of primary structures and the safety of users. The objective of this thesis aims to develop a predictive tool for the mechanical strength of bonded assemblies in terms of initiation and propagation of cracks under complex mechanical loading for Safran. The first part of this work concerns the study of crack initiation under fatigue loading. Based on the modified Scarf experimental setup, an experimental procedure was developed to study the effect of loading frequency and load ratio on crack initiation. On the basis of experimental observations, the use of an energy lifetime criterion seems relevant. A generalized Maxwell-type viscoelastic model with a bi-spectral distribution of mechanisms has been identified. This identification made it possible to make the link between fatigue resistance and the behavior of the adhesive, and to develop as a first approach a fatigue criterion taking into account the hysteretic and creep behavior of the adhesive, independently of its implementation. The second part of this work focused on the study of crack propagation under fatigue loading. Based on the modified Arcan device, the influence of mode mixing on crack propagation for positive load ratios could be studied. In the context of non-standardized tests, a numerical procedure based on an FE model and a crack length calibration algorithm, based on the work of Stamoulis et al. (2016), had to be developed in order to calculate the critical energy release rate and thus numerically evaluate the crack length. The first results showed the existence of three propagation phases. The energy release rate values in fatigue are lower than those calculated under monotonic loading. In order to study the influence of alternating fatigue (i.e. compression) on crack propagation, an Arcan “compression” assembly was designed as part of this thesis. The results showed that the energy restitution rate in mode I and at R = -1 was greater than that calculated at R = 0.2. The opposite trend was observed in mode II, with more degrading mechanisms in alternating fatigue.
Cette thèse s'est déroulée dans le cadre d'un co-financement entre la région Bretagne et Safran Composites, acteur majeur du secteur aéronautique. Ce secteur a connu un fort essor en termes de production et de croissance du trafic aérien. Afin de répondre aux nouvelles réglementations environnementales, de nouvelles solutions sont mises en oeuvre afin de réduire la consommation de carburant qui passe notamment par l'allègement des structures en service. L'une des solutions retenues par les acteurs du secteur aéronautique est l'utilisation du collage dans les techniques d'assemblage. Son utilisation permet de s'affranchir de nombreux problèmes tels que la corrosion et permet ainsi de réduire le poids des structures contrairement aux techniques d'assemblages conventionnelles (boulonnage, rivetage…). L'emploi d‘adhésifs reste cependant limité par des certifications contraignantes destinées à assurer la tenue des structures primaires et la sécurité des usagers. L'objectif de cette thèse vise à développer un outil prédictif de la tenue mécanique des assemblages collés en termes d'amorçage et de propagation de fissures sous chargements mécaniques complexes pour Safran. La première partie de ces travaux porte sur l'étude de l'amorçage de fissures sous chargement de fatigue. En se basant sur le dispositif expérimental Scarf modifié, une procédure expérimentale a été élaborée afin d’étudier l’effet de la fréquence de sollicitation et du rapport de charge sur l'amorçage de fissure. Sur la base des observations expérimentales, l’utilisation d'un critère de durée de vie en énergie semble pertinente. Un modèle viscoélastique de type Maxwell généralisé avec une répartition bi-spectrale des mécanismes a été identifié. Cette identification a permis de faire le lien entre la tenue en fatigue et le comportement de l'adhésif, et de développer en première approche un critère de fatigue tenant compte du comportement hystérétique et en fluage de l'adhésif, indépendamment de sa mise en œuvre. La seconde partie de ces travaux s'est focalisée sur l'étude la propagation de fissures sous chargement de fatigue. En se basant sur le dispositif Arcan modifié l'influence de la mixité de modes sur la propagation de fissure pour des rapports de charge positifs a pu être étudiée. Dans le cadre d'essais non-standardisés, une procédure numérique basée sur un modèle EF et un algorithme de calibration de longueur de fissure, basée sur les travaux de Stamoulis et al. (2016), a dû être développée et afin de calculer le taux de restitution d'énergie critique et évaluer ainsi numériquement la longueur de fissure. Les premiers résultats ont montré l'existence de trois phases de propagation. Les valeurs de taux de restitution d'énergie en fatigue sont inférieures à celles calculées sous chargements monotones. Afin d'étudier l'influence de la fatigue alternée (i.e. la compression) sur la propagation de fissure, un montage Arcan « compression » a été conçu dans le cadre de cette thèse. Les résultats ont montré que le taux de restitution d'énergie en mode I et à R = -1 était supérieur à celui calculé à R = 0.2. La tendance inverse a été observée en mode II, avec des mécanismes plus dégradants en fatigue alternée.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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