Concentrations de contraintes et modes de rupture

Paramètres géométriques et leurs effets sur le comportement et les propriétés des joints

Selon les normes, les dimensions utilisées sont tel que montrées au Tableau 2 (voir Figure 1 pour les paramètres) [19-21 , 25, 39-45]. Les autres paramètres sont identiques à ceux du joint collé, mais la largeur du joint est d’environ le double de celle des joints collés. Le jeu entre le boulon et le trou cause un retard de la prise de charge par le boulon [22-25]. S’il Y a plusieurs boulons dans le joint, celui ayant le plus petit jeu prendra la charge en premier alors que les autres seront sollicités plus tard si le déplacement augmente de manière constante (Figure 15). De même, si le jeu est trop grand, cela peut engendrer une rotation du boulon, causant une charge supplémentaire sur les adhérents, tel que montré à la Figure 16 [22, 25 , 33, 39]. Un premier paramètre à vérifier est donc le jeu entre le diamètre du boulon et le diamètre du trou [22-25]. Tel que montré à la Figure 15, plus le jeu est grand, plus il y aura un retard avant que le boulon transfert la charge. Ce paramètre ne modifie pas la résistance du joint mais si le jeu est grand, le déplacement dans le joint sera aussi plus grand. Un deuxième paramètre à vérifier est le coefficient de frottement entre les adhérents [19-21]. Plus le coefficient de frottement est grand, plus la résistance du joint augmente. Un coefficient élevé augmente la force requise pour obtenir le même déplacement dans le joint que pour un échantillon à coefficient plus faible. La Figure 17 illustre cette tendance. Le dernier paramètre à vérifier est la force de serrage du boulon [20]. Plus elle augmente, plus la résistance du joint augmente. L’effet est plus important dans les deux premiers stades du comportement (Figure 14). La force de frottement étant égale au coefficient de frottement multiplié par la force normale, sans serrage, la pression exercée devient faible et le frottement perd de l’influence sur la résistance. La Figure 18 montre ce comportement.

Concentrations de contraintes et modes de rupture

L’échantillon est placé sous tension et on essaie de déterminer la charge transférée par les boulons ou les rivets ainsi que par la colle. Beaucoup de facteurs peuvent influencer le résultat, tel que la qualité du collage, la force de serrage, le frottement entre les composantes (entre la tête du rivet et le composite, le composite et la rondelle, la rondelle et la partie déformée du rivet et la tige du rivet et l’intérieur du trou) et le jeu entre le boulon et le pourtour du trou. Les essais mécaniques permettent en partie de valider le comportement. La contrainte due au serrage manuel du boulon (ou à la fixation du rivet) agit de la même façon qu’à la section 2.5.2. Les effets causés par le jeu entre le boulon ou le rivet et le trou sont les mêmes que dans la section 2.5.2. Lorsque la contrainte en cisaillement augmente dans l’adhésif, la contrainte de pelage (perpendiculaire au plan du joint) augmente aussi. La force de serrage et les dimensions des rondelles ont aussi un effet sur la contrainte de pelage puisque la flexion dans le joint est réduite [48]. Il Y a deux types de joint hybride. Le premier type réfère à un module d’élasticité élevé de la colle. Dans cette situation, la colle prend plus de 90% de la charge et, seulement lorsqu’il y a rupture de l’adhésifles boulons ou les rivets reprennent 100% de la charge [26].

La Figure 21 montre une courbe contrainte-déplacement typique pour ce cas. Le deuxième type survient lorsque le module d’élasticité de la colle est faible. La colle se déforme avant d’atteindre la rupture et la charge se répartie entre la colle et les attaches mécaniques [32]. La Figure 22 montre la courbe contrainte-déplacement pour ce cas. Entre les deux figures, on observe une différence majeure causée par le module d’élasticité de la colle. La première figure montre que la rupture de la colle se produit à 0,5 mm de déplacement. Cela veut dire que tout se concentre dans la colle et que le rivet contribue très peu. Dans la seconde figure, le déplacement atteint entre 2 et 3 mm avant rupture de la colle. Le module d’élasticité de la colle étant beaucoup plus faible que dans le premier cas, le rivet et la colle travaillent conjointement. Il s’agit d’un aspect très important à considérer dans la présente étude afin d’atteindre l’objectif de diminution du nombre de rivets. Pour réduire le nombre de rivets, il faut être dans une situation où le rivet et la colle travaille conjointement.

Matériaux, choix d’éléments et généralité

Avant de choisir les dimensions pour les échantillons, il faut entrer les propriétés mécaniques des matériaux utilisés pour les adhérents et l’ adhésif. Les propriétés sont les modules d’Young dans les directions principales du composite global ou de chaque couches individuelles (dépendant de l’approche de modélisation), leurs coefficients de Poisson et les modules de cisaillement dans les trois directions. Pour les composites, il faut prévoir des propriétés différentes dans les trois directions (longitudinale, transversale et hors plan du laminé). Il y a deux approches possibles. La première consiste à utiliser les orientations de chacun des plis qui constitueront l’adhérent. La deuxième consiste à utiliser la théorie des laminés pour trouver les propriétés générales (propriétés d’ensemble) de l’adhérent. La première méthode permet de savoir ce qui se passe dans chacun des plis (ex : contraintes, déformations, séquence de rupture des plis, contraintes hors plan à l’intérieur du laminé). Cependant, si on s’intéresse uniquement aux contraintes dans l’adhésif, la deuxième méthode est envisageable. La première méthode est utilisée pour les modèles éléments finis Les propriétés des matériaux proviennent des standards de Bombardier.

La compagnie fournie une fiche technique qui indique quelles propriétés doit avoir un pli composite à renfort tissé pour satisfaire les normes de qualité du produit. Donc, les matériaux utilisés par Delastek se trouvent à l’intérieur des tolérances fournies dans le Tableau 3. Les tissus équilibrés 50-50 (dans les directions chaîne et trame) de fibres de graphite (Class III: 8 Harness Satin Weave Graphite Fabric) sont combinés à une résine phénolique. Les propriétés par pli sont fournies dans le Tableau 4. Pour la colle, on utilise un durcissant Hysol EA 9309.3NA mélangé avec des billes de verre (<< glass bubble 3M k-20series ») de la compagnie 3M Inc. La résistance en cisaillement de la colle est de 28,9 MPa (4400 Psi). Pour un joint de 25,4 mm par 12,7 mm par 0,254 mm (largeur x longueur x épaisseur), la force maximale devrait donc être de 9322,6 N (2095,8 lbf). Cependant, en laboratoire, les valeurs obtenues sont environ deux fois plus faibles. TI y a donc d’autres sollicitations que le cisaillement pur qui entre en compte. La colle est mélangée aux billes pour augmenter sa viscosité et facilité le collage. Également, le choix du « glass bubble 3M k-20 » ajoute des particules permettant de contrôler l’épaisseur du joint à 0,254 mm.

Les rivets utilisés sont soit un NAS 1399 C4-4 en aCIer inoxydable ou un MS20470AD4-9 Solid Rivet en aluminium. Les dimensions et propriétés des matériaux sont fournies dans le Tableau 5 pour les rivets en acier inoxydable et dans le Tableau 6 pour les rivets en aluminium. Dans le cas de l’adhérent en aluminium, on choisi un alliage anodisé « 2024-T3 Black Anodized per MIL-A-8625 ». Les propriétés sont fournies dans le Tableau 7. L’empilement pour les échantillons des essais collés avec l’orientation des plis est montré à la Figure 28. L’empilement choisi est [0/45 /90/-45]s. Puisque nous avons un tissu 50-50, il est possible d’écrire l’empilement comme étant [0/45/0/45]s.

Le rivet NAS 1399 ne sera pas modélisé en raison d’un problème de disponibilité. Pour être en mesure de poursuivre le projet, les rivets solides MS20470 ont été utilisés. Nous sommes conscient qu’un rivet solide qu’on déforme risque d’endommager le trou (par matage). Cependant, et comme nous le verrons suite aux essais, puisque la résistance en cisaillement du rivet est plus faible que la résistance en matage du trou, nous pouvons accepter cet écart puisque les résultats n’en seront pas significativement affectés. Un autre facteur à considérer est la corrosion galvanique. De même ici, puisque les échantillons fabriqués ont rapidement été testés après la fabrication, cette source d’erreur est elle aussi négligeable. Finalement, le pli en fibre de verre ne sera pas modélisé puisqu’il n’a qu’un rôle esthétique et offre très peu de résistance comparé à la fibre de carbone. Dans nos modèles, le composite stratifié à fibres de carbone est représentée par un élément solide 3D multicouche. La colle, le rivet et l’adhérent en aluminium (au besoin) sont représentés par un élément 3D isotrope. Pour l’élément 3D multicouche, il faut ajuster l’orientation du système d’axe de chaque élément par rapport à la géométrie de la pièce.

Ceci est important afin d’assurer la conformité entre l’orientation des couches composites du modèle en lien avec celle de la pièce réelle. Pour les éléments multicouches, il faut aussi spécifier le type d’empilement, l’épaisseur de chaque pli et l’orientation de ceux-ci. Pour les coupons fabriqués par Delastek, chaque pli a une épaisseur de 0,396 mm et l’empilement est de type [0/45/90/-45]5′ Finalement, il faut entrer les modules d’Young dans chaque direction, les modules de cisaillement dans chaque direction et le coefficient de Poisson dans chaque direction des couches du composite (notamment) mais aussi pour chacun des matériaux utilisés dans le modèle. Le Tableau 8 montre les propriétés de tous les matériaux utilisés dans la modélisation. Puisque ce sont les propriétés de chaque couche, les axes de la Figure 24 ne correspondent pas toujours, puisque nous avons des couches à 45°. La direction 1 est dans le sens des fibres, la direction 2 est perpendiculaire aux fibres et la direction 3 est hors plan. Donc, dans le tableau, 1 = X, 2 = Z et 3 = Y, d’où 12 = XZ, 23 = ZY et 13 = XY. Pour les matériaux isotropes, les valeurs vont évidemment se répéter. Il faut également s’assurer que l’application de la force n’affectera pas nos résultats. Le principe de Saint-Venant s’applique ici et une distance suffisante entre le point d’application de la force et le joint est maintenue pour éviter toute influence venant des extrémités de l’échantillon [53].

Table des matières

Remerciements
Sommaire
Liste des figures
Liste des tableaux
Chapitre 1 : Introduction
1.1 Mise en contexte
1.2 Problématique
1.3 Approche proposée
Chapitre 2 : Revue de littérature
2.1 Les normes
2.2 Historiques de modélisation
2.2.1 Historique pour les joints collés
2.2.2 Historique pour les joints rivetés
2.2.3 Historique des joints hybrides
2.3 Préparation des échantillons
2.4 Les joints collés
2.4.1 Essais sur les échantillons
2.4.2 Paramètres géométriques et leurs effets sur le comportement et les propriétés des joints
2.4.3 Concentrations de contraintes et modes de rupture
2.5 Les joints boulonnés ou rivetés
2.5.1 Essais sur les échantillons
2.5.2. Paramètres géométriques et leurs effets sur le comportement et les propriétés des joints
2.5.3 Concentrations de contraintes et modes de rupture
2.6 Les joints hybrides
2.6.1. Paramètres géométriques et leurs effets sur le comportement et les propriétés des joints hybrides
2.6.2 Concentrations de contraintes et modes de rupture
2.7 Effets de la température et de l’humidité
2.8 Le modèle éléments finis
2.8.1 Propriétés des matériaux
2.8.3 Degrés de liberté du modèle
2.8.4 Choix des éléments
2.8.5 Application de la force de serrage
2.8.6 Le maillage
Chapitre 3 : Création des modèles éléments finis
3.1 COSMOS/M
3.2 Matériaux, choix d’éléments et généralité
3.3 Modèles à géométrie variable
3.4 Maillage du modèle
3.4.1 Maillage du composite et de la colle
3.4.2 Maillage du rivet et de la rondelle
3.4.3 Éléments de contact
3.5 Conditions aux rives et degrés de liberté
3.6 Résultats
3.6.1 Résultats du modèle collé
3.6.2 Résultats du modèle riveté
3.6.3 Résultats du modèle hybride
Chapitre 4 : Essais expérimentaux
4.1 Définition des échantillons à fabriquer
4.2 Choix des matériaux
4.3 Montage sur la machine de traction
4.4 Résultats des essais
4.4.1 Échanti llons collés
4.4.2 Échantillons rivetés
4.4.3 Échantillons hybrides
Chapitre 5 : Comparaison du modèle et des essais expérimentaux et application pratique
5.1 Comparaison des résultats collés, rivetés et hybrides
5.4 Application pour une plaque
5.4.1 Géométrie de la plaque, matériaux et sollicitation
5.4.2 Méthodologie
5.4.3 Résultats pour une colle rigide
5.4.4 Résultat pour une colle flexible
Conclusion
Travaux futurs
Bibliographie
ANNEXE l
ANNEXE II

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