Chapitre 4 : Démarche expérimentale
4.8. Application aux assemblages composites
Cette section s’attache à définir le comportement des assemblages composites en présence d’un effort de serrage maîtrisé, afin d’évaluer le potentiel gain en terme de durée de vie constaté auparavant pour les assemblages métalliques.
4.8.1. Définition des éprouvettes et des conditions d’essai
Figure 4. 32 : Assemblage à 2 fixations en simple cisaillement (dimensions en mm)
La Figure 4. 32 définit les dimensions de l’assemblage étudié. Il est composé de deux fixations EN6115-K4 (référence 1) de diamètre D=6,35mm en titane Ta6V, de deux écrous ASNA2531-4 en acier AISI8740 (référence 2) ainsi que de 2 plaques en composite unidirectionnel T800/M21 (pli d’épaisseur 0.254mm), chacune d’épaisseur notée T (références 3 et 4). Les distances au bord sont toujours choisies en accord avec les normes aéronautiques. Les résultats présentés par la suite concernent les assemblages dont l’épaisseur d’une plaque T est égale à 4/5 et 1 fois le diamètre de la fixation. L’ajustement radial considéré est un ajustement avec jeu (0-20um). La séquence d’empilage utilisée pour chaque plaque est quasi isotropique [(45,-45, 0, 90, 45,-45, 0, 90,-45, 45, 0,90]s. L’assemblage contient également deux doubleurs (références 5 et 6) en composite unidirectionnel T800/M21 permettant d’aligner les efforts externes. Le montage est réalisé avec jeu (0-20μm) et sans mastic d’interposition, afin de favoriser les conditions de transfert d’effort par frottement.
Les conditions d’essais sont données ci-dessous :
- Type d’effort : monotone sinusoïdal en traction/traction. - Ratio d’effort : 𝑅 =𝜎𝑚𝑖𝑛
𝜎𝑚𝑎𝑥= 0.1
- Fréquence : 2-3Hz
- Application de l’effort externe : la valeur de l’effort externe a été choisie pour caractériser la tenue de l’assemblage dans un intervalle de durées de vie compris entre 104 et 2.106 cycles.
- Les essais ont été réalisés sous température ambiante sur des machines hydrauliques ±100kN.
- Niveaux de précontrainte appliquée : 0kN, 10kN et 17kN.
Le dispositif d’essai est présenté dans la Figure 4. 33. Le contrôle de la température des fixations est assuré par un thermocouple de type K localisé sur la surface de la tête d’une des deux vis. De cette façon on vérifie que cette température ne dépasse jamais les 50°C, en accord avec les normes d’essais aéronautiques.
Figure 4. 33 : Disposition expérimentale d'essais
4.8.2. Présentation des résultats et discussion
La Figure 4. 34 présente les résultats d’essais de fatigue pour les deux configurations d’éprouvettes considérées : T/D=0,8 (Figure 4. 34.a) et T/D=1 (Figure 4. 34.b). On observe que les courbes de Wöhler sont très proches pour tout niveau de précontrainte, et ce pour les deux épaisseurs serrées. Ce constat laisse à penser que la précontrainte a peu d’effet sur la tenue en fatigue pour les assemblages composites testés. Le mode de rupture des éprouvettes est inchangé pour tout niveau de précontrainte. Les fixations rompaient, soit au niveau du premier filet en prise (Figure 4. 35.a), soit sous la tête de la fixation au niveau du rayon de transition (Figure 4. 35.b). Afficheur thermocouple Servo- controlleur Cellule 100kN
Figure 4. 34 : Courbes de Wöhler pour les assemblages composite en simple cisaillement à différentes épaisseurs (a) T/D=0,8 (b) T/D=1
Figure 4. 35 : Modes de rupture observés : (a) rupture dans le premier filet en prise, (b) rupture sous la tête de fixation
Comme le souligne l’étude bibliographique menée au début de cette thèse, la relaxation de la prétension est un phénomène qui a lieu systématiquement dans les assemblages mécaniques et dont l’amplitude dépend des matériaux assemblés. Dans le cas de notre étude, on a constaté des pertes de prétension pouvant aller jusqu’à 50% de sa valeur initiale. De ce fait, les valeurs de prétension indiquées dans la Figure 4. 34 correspondent à une surestimation de la valeur de prétension réellement conservée au sein de l’assemblage. Pour expliquer le peu d’influence constaté sur la tenue des assemblages composites, le scénario de rupture proposé est le suivant : - Dans le cas des assemblages non préchargés (0kN) : sous l’effet du chargement externe, le cisaillement de la fixation/matage du composite est généré. Il implique une forte flexion secondaire des plaques assemblées et induit une rotation des fixations. Une surconcentration de des contraintes apparaît au niveau des zones de contact plaques/fixations et plus particulièrement au voisinage du rayon de transition sous tête et du premier(s) filet(s) en prise. Cet endommagement est créé dès le premier cycle de fatigue et influence le comportement mécanique de l’assemblage sollicité dynamiquement. Au cours des cycles suivants, l’endommagement par matage du composite reste limité, au vu des dimensions des plaques assemblées. L’effort cyclique vu par les fixations aura tendance à développer des microfissures qui auront pour résultat d’amorcer une macrofissure de taille critique. Si l’amorce se situe sous
T/D=0,8 T/D=1
(a) (b)
la tête de la fixation, on peut supposer une perte de rigidité de la fixation, occasionnant une augmentation de la contrainte de flexion générée par l’excentricité du chargement et une propagation de la fissure accélérée. Dans le cas contraire, si l’amorce de fissure a lieu dans le premier filet en prise, la propagation sera plus lente car elle ne générera pas d’impact sur la rigidité de la fixation.
- Dans le cas des assemblages fortement préchargés (17kN) : Lors de l’application de la précontrainte, un certain taux de déformation plastique peut se développer dans les zones de concentration de contraintes (au rayon de transition sous la tête de la fixation et dans les premiers filets en prise). Sous l’effet du chargement externe, le transfert d’effort par matage induit un mode de déformation sous la forme de flexion secondaire des plaques assemblées et par conséquent, une rotation des fixations. Cette situation implique une surconcentration au niveau du rayon de raccordement sous tête et des premiers filets en prise comme l’indique le
modèle numérique correspondant (voir Figure 4. 36).
Figure 4. 36 : Simulation numérique indiquant les zones de concentration de contrainte, T/D=1
La principale différence avec les assemblages non préchargés réside dans le taux d’effort de cisaillement transféré via les fixations. Cet effort, dans le cas des assemblages fortement préchargés, est relativement faible par rapport à celui transféré dans le cas des assemblages non préchargés. Au cours des cycles de fatigue, l’endommagement par matage des plaques composites reste limité au vu des dimensions des plaques assemblées, tandis que l’effort cyclique vu par les fixations aura tendance à développer des fissures de fatigue dans les zones de concentration de contrainte.
Enfin, dans le cas des assemblages moyennement préchargés (10kN), on peut supposer un schéma médian entre les deux scénarios de rupture présentés ci-dessus.
Concentration de contrainte
Précontrainte = 17kN
Chargement = 100MPa sur la section nette T/D=1