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CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX
Résistance statique des joints rivetés
La résistance statique (Fs) d’un joint riveté est déterminée à partir d’un essai de traction sur l’assemblage. Tout comme la résistance au matage, la résistance statique des joints rivetés est définie par deux valeurs : la résistance élastique et la résistance à la rupture. Pour un diamètre donné du rivet, l’épaisseur des tôles est incrémentée afin d’obtenir les différents modes de rupture du joint.
Essai de traction
Le type d’échantillon utilisé pour les essais de traction provient de la norme NASM1312-4 (Aerospace Industries Association, 1997b). La description des échantillons suggérés et la procédure de l’essai de traction sont documentées dans cette norme conjointement avec le MMPDS-6. L’assemblage choisi pour le projet de recherche est le joint à rivet unique en cisaillement simple. Les dimensions de l’échantillon sont données en fonction du diamètre nominal du rivet (DNr). La longueur du rivet (Lr) ainsi que l’épaisseur des tôles (t) sont sélectionnées afin d’analyser les différents modes de rupture du joint. Une fois l’échantillon assemblé, celui-ci est chargé en tension afin d’évaluer sa résistance.
Les zones de serrage sont insérées dans les mâchoires de la machine de traction. Les doubleurs permettent d’assurer l’alignement de l’échantillon entre les mâchoires. Une cellule de charge attachée à la mâchoire supérieure permet d’enregistrer la force axiale appliquée lors de l’essai. Un extensomètre de 50 mm est attaché de part et d’autre de la fixation afin d’enregistrer l’allongement du joint en fonction de la force appliquée. La longueur de l’extensomètre est spécifiée dans la norme NASM1312-4 et varie en fonction du diamètre de la fixation analysée. L’enregistrement de la force appliquée et de l’allongement du joint permet de tracer une courbe force-déplacement caractéristique de l’échantillon.
Résistance élastique
La courbe force-déplacement obtenue expérimentalement permet d’évaluer la résistance d’un joint en fonction de son allongement. L’allongement du joint est causé par les déformations élastiques et plastiques. Or, le MMPDS-6 définit la résistance élastique (Fy) d’un joint lorsque son allongement permanent est égal à 4% du diamètre initial du trou . On peut évaluer l’allongement élastique d’un joint à l’aide de la méthode du second module d’élasticité. Pour ce faire, on relâche le chargement appliqué au joint après avoir dépassé la résistance élastique estimée. Il faut relâcher le chargement jusqu’à environ 10% à 20% de la résistance élastique estimée pour faire apparaître correctement le second module d’élasticité . Il est alors possible de tracer une droite dont la pente égale le second module d’élasticité. Ceci permet de soustraire l’allongement élastique du joint et ainsi obtenir l’allongement permanent du joint. La résistance élastique du joint est définie à l’intersection ainsi obtenue.
Résistance à la rupture
La résistance à la rupture (Fu) est définie comme étant la résistance maximale obtenue lors de l’essai de traction dans le MMPDS-6. De plus, le mode de rupture du joint doit être classifié pour chaque essai. Une revue de plusieurs essais effectués par Chiro (1999) dans le cadre du développement du CRJ700 de Bombardier Aéronautique a permis d’identifier les modes de rupture applicables au joint riveté analysé dans cette recherche. Rappelons que le joint riveté analysé est formé d’un rivet solide Aerolock en aluminium 2117-T4 installé dans des tôles d’aluminium 2024-T3. Il est possible d’obtenir une combinaison des modes de rupture b et c. Les modes de rupture varient en fonction de l’épaisseur des tôles (t) pour un diamètre nominal du trou (DNt) donné.
C’est pourquoi Chiro (1999) a présenté les modes de rupture sous forme de tableau pour le joint riveté analysé dans cette recherche.
Charges admissibles
La résistance statique (Fs) obtenue expérimentalement pour chaque échantillon permettent de déterminer les charges admissibles (Fs/DNt) du joint riveté analysé. Pour ce faire, on doit traiter les résultats selon la méthode décrite dans le MMPDS-6. Un résumé de cette méthode est présenté ici. La méthode d’analyse est basée sur l’hypothèse que les dimensions des échantillons sont proportionnelles au carré du diamètre nominal du trou. Par conséquent, on regroupe les résultats en fonction de l’épaisseur des tôles (t) du joint riveté et du diamètre nominal du trou (DNt). On divise ensuite la résistance élastique et la résistance à la rupture obtenue pour chaque joint riveté par le diamètre nominal du trou au carré (DNt). Pour chaque t/DNt, on calcule une valeur moyenne à partir des résultats. On trace ensuite les valeurs moyennes calculées en fonction de chaque t/DNt. Généralement, il est possible d’observer deux bandes compactes représentant les charges admissibles élastiques (Fy/DNt) et les charges admissibles à la rupture (Fu/DNt).
Caractérisation des rivets
La méthode décrite par la norme ASTM E9 (American Society for Testing and Materials, 1989) a été envisagée durant la planification du projet pour caractériser les rivets. Par contre, les échantillons cylindriques typiques définis dans cette norme n’ont pu être extraits des rivets par manque de matière. D’autre part, l’état de contrainte d’un matériau doit être uniaxial pour obtenir ses propriétés d’écoulement de façon conventionnelle sur une machine de traction. Or, le frottement aux interfaces d’un échantillon cylindrique lors de l’essai de compression fait apparaître un état de contrainte complexe dans le matériau. Martìnez,Coupard et Girot (2005) proposent d’évaluer l’état de contrainte complexe aux interfaces de l’échantillon par la MÉF.
1) préparation des échantillons,
a) le corps cylindrique des rivets est extrait;
2) essai de compression,
a) un essai de compression pour chaque échantillon est effectué;
b) les échantillons correctement déformés sont sélectionnés;
c) les résultats enregistrés permettent de tracer la courbe force-déplacement caractéristique à chaque échantillon sélectionné;
d) les échantillons sélectionnés sont mesurés;
3) modélisation par la MÉF,
a) l’essai de compression de chaque échantillon sélectionné est modélisé;
b) pour chaque échantillon, les propriétés sont itérées afin de prédire la courbe force déplacement obtenue expérimentalement;
c) les propriétés sont validées lorsque les dimensions finales de chaque échantillon expérimental sont prédites par la MÉF;
4) traitement des résultats,
a) les propriétés individuelles de chaque échantillon sont extraites des modèles par la MÉF;
b) les propriétés moyennes sont calculées et vérifiées à l’aide du coefficient de détermination
Mode de rupture
La seconde stratégie pour valider le modèle est de vérifier le mode de rupture du joint modélisé. Celle-ci permet de compléter l’analyse du mode de rupture par cisaillement du corps du rivet Un coup d’œil rapide à la déformation finale du joint riveté permet d’affirmer qu’il y a bien cisaillement du corps du rivet. Il est possible d’observer l’initiation du cisaillement lorsque le chargement atteint la résistance élastique du joint. Cette observation est validée par définition de la résistance élastique . La résistance élastique est définie comme étant 4% de déformation permanente. De plus, la contrainte principale maximale est plus élevée au centre du rivet pour ce chargement. Il est possible d’observer que l’état de contrainte au centre du rivet s’atténue au fur et à mesure que le cisaillement du corps du rivet progresse. Or, cet état de contrainte élevé chute après l’obtention de la résistance à la rupture du joint. Le plan de cisaillement est alors en mouvement complet. Il y a rupture du corps du rivet dans le plan de cisaillement.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
CHAPITRE 2 ANALYSE PRÉLIMINAIRE DES CHARGES ADMISSIBLES
2.1 Résistance au cisaillement des rivets
2.2 Résistance au matage des tôles
2.3 Résistance statique des joints rivetés
2.3.1 Essai de traction
2.3.2 Résistance élastique
2.3.3 Résistance à la rupture
2.4 Charges admissibles
CHAPITRE 3 CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX
3.1 Introduction
3.2 Courbe contrainte-déformation
3.3 Courbe contrainte-déformation vraies
3.4 Caractérisation des tôles
3.4.1 Essai de traction
3.4.2 Traitement des résultats
3.5 Caractérisation des rivets
3.5.1 Fabrication des échantillons
3.5.2 Essai de compression
3.5.3 Modélisation par éléments finis
3.5.4 Traitement des résultats
3.6 Propriétés proposées dans la littérature
3.7 Conclusion
CHAPITRE 4 MODÉLISATION PAR ÉLÉMENTS FINIS
4.1 Modèle de matériau
4.2 Géométrie
4.3 Contact
4.3.1 Formulation
4.3.2 Frottement
4.3.3 Zone de cohésion
4.4 Maillage
4.4.1 Rivet
4.4.2 Tôles
4.4.3 Contacts
4.5 Conditions aux frontières
4.6 Paramètre d’analyse
4.7 Étude de convergence
4.8 Validation
4.8.1 Résistance statique
4.8.2 Mode de rupture
4.8.3 Propriétés proposées dans la littérature
4.8.4 Charges admissibles
CONCLUSION
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