CHAPITRE III : COMPORTEMENT HORS PLAN DES ASSEMBLAGES BOULONNES
6 Caractérisation des souplesses des pièces
7.6 Conclusion du Chapitre III
Les travaux présentés dans ce chapitre concernent principalement la caractérisation des souplesses de pièces en composite thermoplastique. En effet, il s’agit d’un paramètre clé qui gouverne le comportement hors plan des liaisons boulonnées.
Après avoir rappelé quelques fondamentaux autour des modèles de calculs analytiques des souplesses, relatifs aux pièces et au boulon, nous proposons une méthodologie numérique et expérimentale afin d’identifier au plus juste ces valeurs de souplesses. Pour ce faire, nous avons établis un modèle éléments finis qui utilise un critère énergétique. Cette approche est dans un premier temps validé sur un modèle 2D axisymétrique puis étendu à un modèle 3D. Les valeurs obtenues sont comparées avec celles calculées à partir de la formulation VDI 2230 et soulignent tout l’intérêt de cette approche énergétique, en termes d’hypothèse ou encore de précision.
Parallèlement à ces travaux numériques, nous proposons une méthodologie expérimentale afin d’identifier les souplesses des pièces et de pouvoir comparer ces valeurs issues d’essais aux résultats numériques. Le dispositif de mesures LVDT est repris et adapté pour ce travail. Le paragraphe 6.6 décrit cette procédure et des résultats tout à fait convenables sont obtenus pour des empilements de pièces en T700/PA66. En revanche, les résultats qui concernent le GF/PA6 sont plus difficilement exploitable et des arguments sont avancés afin d’expliquer cette différence de comportement. Suite à ces travaux numériques et
Romain HAMONOU – Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique – Ecole Centrale de Nantes 144 expérimentaux, nous proposons un ajustement analytique du modèle VDI pour des pièces composites. Cette correction intervient majoritairement sur la définition de l’angle du cône de pression. Aussi, une procédure de minimisation basée sur la méthode des moindres carrés nous permet de recalculer les coefficients de la formule du calcul de l’angle de Rotscher. Ces nouvelles valeurs sont ensuite comparées aux résultats E.F. et sont cohérentes.
La seconde partie de ce chapitre fait intervenir deux paramètres, le coefficient de filtrage λ et le facteur d’introduction de charge β. Les précédents travaux en lien avec l’identification de ces paramètres concernaient des assemblages boulonnés de pièces métalliques, il était donc nécessaire de les réévaluer pour des pièces composites. Comme auparavant, des investigations expérimentales et numériques sont menées (voir les paragraphes 7.2 et 7.3). In fine, l’analyse de ces travaux ne permet pas d’obtenir une pleine satisfaction du modèle analytique et de la définition VDI du paramètre λ. C’est pourquoi nous proposons un autre modèle analytique afin d’intégrer directement la notion d’introduction de la charge au niveau des souplesses des éléments de l’assemblage et non plus par l’intermédiaire du paramètre β qui s’avère désuet. Les résultats obtenus d’après ce nouveau modèle sont nettement plus cohérents avec la réalité et le comportement physique de l’assemblage.
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CONCLUSION GENERALE
L’étude présentée dans cette thèse s’inscrit dans une démarche de dimensionnement hors plan d’assemblages boulonnés composites à matrice thermoplastique.
Nous débutons l’étude par un état de l’art des techniques d’assemblage adaptées aux matériaux composites. Initialement, nous avons détaillé les procédés d’assemblages les plus répandus dans l’industrie ; à savoir le collage, le rivetage et préférentiellement le boulonnage, sujet de la thèse. Une brève introduction aux liaisons innovantes propres aux matériaux composites est également abordée. Dans un second temps, nous nous intéressons en détail aux modèles analytiques de dimensionnement dédiés aux assemblages rivetés et boulonnés. Historiquement, ces modèles ont été établis pour les matériaux métalliques, nous présentons une analyse critique de ces modèles quant à leurs emplois et leurs pertinences dans le cadre des matériaux composites.
La suite de l’étude est dédiée à la détermination des propriétés mécaniques élastiques des stratifiés T700/PA66 et GF/PA6. La caractérisation mécanique dans le plan a lieu à l’échelle du pli élémentaire du stratifié via des essais classiques de traction quasi-statique menés sur une base canonique d’identification. En ce qui concerne la caractérisation mécanique hors plan des composites, nous présentons trois techniques expérimentales : la corrélation d’images, la mesure de déplacement via un dispositif LVDT, puis la détermination des modules élastiques par l’intermédiaire du Contrôle Non Destructif (CND) ultrasonore. Ces procédures expérimentales s’avèrent limitées à des épaisseurs supérieures à celle du pli élémentaire. Afin de compléter ce travail, nous avons investigué à la fin de ce chapitre II un modèle éléments finis 3D du Volume Elémentaire Représentatif (VER). Cette alternative numérique vient compléter les résultats expérimentaux et permet d’obtenir les propriétés mécaniques complètes à l’échelle du pli élémentaire.
Dans le chapitre III, nous proposons des analyses expérimentales et numériques autour du comportement hors plan de liaisons boulonnées intégrant des substrats en composites thermoplastiques. Un premier travail de caractérisation des souplesses des pièces est mis en place. En parallèle de ces résultats expérimentaux, nous présentons une démarche d’homogénéisation fondée sur un critère énergétique permettant de déterminer les souplesses des éléments de la liaison mécanique. L’introduction de deux paramètres analytiques à savoir le coefficient de filtrage et le facteur d’introduction de charge sont dans un second temps étudiés. Des limitations quant aux modèles analytiques existants sont mises en évidence par le biais de ces résultats. Ce travail aboutit sur une proposition de correction des formulations analytiques VDI de façon à adapter ces modèles aux matériaux composites.
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PERSPECTIVES
Les perspectives à l’issue de ces travaux de thèse sont nombreuses et variées. Elles concernent aussi bien des aspects techniques que scientifiques, du point de vue de la structure et des matériaux. Nous allons dans ce paragraphe essayer de prendre de la hauteur autour de cette thématique qui concerne les assemblages boulonnés à base de substrats en composite thermplastique afin de proposer de potentiels futurs travaux.
La thématique de recherche autour des assemblages boulonnés composites est pilotée par des problématiques industrielles, actuelles et en fortes croissances. Nous pouvons citer les filières automobile et aéronautique comme exemples. Or aujourd’hui, l’absence de modélisation et de normalisation précise autour du dimensionnement des assemblages boulonnés composites consitue un frein certain quant à leur développement au sein de ces secteurs d’activité. Cette technique d’assemblage reste par ailleurs quasi incontournable lors de sollicitations mécaniques hors plan et/ou dynamiques. Dès lors, l’enthousiasme suscité autour des matériaux composites thermoplastiques doit être dupliqué à cette solution d’assemblage afin de relever ces challenges industriels et économiques.
Comme nous avons pu le voir dans cette étude, les composites thermoplastiques présentent des sensibilités environnementales importantes (thermiques et/ou hydriques). De plus, la souplesse de la structure chimique des matrices thermoplastiques favorise le phénomène de fluage. Or, l’application d’une précharge controlée dans le boulon garantit la bonne tenue mécanique de l’assemblage et s’effectue bien souvent en amont de ces phénomènes perturbateurs.
Des travaux complémentaires de quantification des variations de cette précharge en fonction des contraintes thermiques, hydriques et de fluage semblent alors inévitables afin d’établir des plages d’utilisation maitrisées de l’assemblage. Ces études, vraissemblablement complexes, pourront être effectuées dans un premier temps séparément et sur différents types de composites utilisables dans l’industrie afin d’isoler les meilleurs candidats (orientation des plis, nombre de plis, type de fibre, ratio fibre/matrice). Le couplage de ces effets paraît inévitable en service et devra par conséquent être investigué dans un second temps. Les liaisons boulonnées sont souvent corrélées à des problématiques liées à la fatigue. A notre sens cet aspect constitue également un champ d’investigation potentiel d’autant plus qu’il est généralement relié à des mécanismes d’échauffement. Enfin, l’utilisation de structures tout composite n’est aujourd’hui pas encore effective industriellement, c’est pourquoi l’étude des paramètres limitants relatifs à des assemblages boulonnés précontraints multimatériaux (métal/composite) devra également être considérée. D’autant plus qu’elle présente un intérêt économique important.
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ANNEXES
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Annexe n°1 : procédure de collage des jauges de déformation
Le kit de collage des jauges est à prendre et à replacer dans le frigo.
La préparation et mise en place
nettoyer les outils un par un à l’acétone,
poncer un endroit de l’éprouvette (talons par exemple) et vérifier que la surface n’est pas conductrice pour ne pas induire d’artefact lors de la mesure de ε,
dégraisser la surface où sera collée la jauge à l’alcool isopropylique,
tracer les axes sur l’éprouvette en oubliant la zone considérée (zone où sera collée la