Comportement mécanique des assemblages collée avec des plaques en composites
Mokhtari Mohammed
Dépt. Génie Mécanique - Faculté de technologie Université Djillali Liabes
Sidi Bel Abbes, Algérie.
Maachou Sofiane
Dépt. Génie Mécanique - Faculté de technologie Université Djillali Liabes
Sidi Bel Abbes, Algérie [email protected]
Résumé— L’étude présenté est basé sur l’analyse numérique tridimensionnelle du comportement purement mécanique d’un joint à simple et double recouvrement avec des substrats en composite. En utilisant le code de calcule ABAQUS, l’objectif c’est de minimiser les contraintes interfaciale en évaluons d’une coté la séquence d’empilement et la rigidité des composites et de l’autre coté l’utilisation des composite hybride et l’augmentation des épaisseurs des plies qui ont une orientation différent à la direction du chargement appliquer.
Mots clé— Composite, l’intégrale J, fissure, séquence d’empilement, plies.
I. INTRODUCTION
les matériaux composites ont de nombreuses applications en raison d’un rapport résistance/poids moins élevé, Ces matériaux composites sont classiquement mis en œuvre dans l’industrie aéronautique afin de réaliser des pièces structurales.
Les structures en composite sont de plus en plus utilisées comme moyen d’assemblage et qui sont justifiés par de nombreux avantages : répondent aux exigence de chargement par leur rigidité qui est spécifiquement élevée, une répartition plus uniforme des charges qui implique moins de concentration des contraintes, cependant le transfert de charge aux niveaux de l’interface pose un problème, en effet la concentration des contraintes à l’interface entre différentes couches orientées dans le composite stratifié peut être une source d’initiation de fissure et par la suite une propagation qui résulte par le cisaillement et les efforts normaux et transversaux.
il est à noter que la quantité du transfert de n’importe qu’elle type de charge dans les assemblages collés est assurée en premier lieu par la rigidité de ces plaques ainsi que les conditions géométriques, notamment la qualité des interfaces.
Pour cette raison les stratifiés prennent des mesures importantes dans ces conditions. La séparation mécanique de tel système collé se produit généralement à l’interface.
Adams et col. [1] s’intéressent à des joints collés entre substrats anisotropes de nature différente. D’autre travaux ont été motivés par la capacité d’utiliser la méthode des éléments finis pour analyser finement les contraintes au voisinage des
extrémités des joints collés [2]. Pour valider leur modèle numérique, Tsai et al. [3] comparent leurs calculs aux résultats d’une étude par photoélasticité (interférométrie de Moiré) d’un joint simple recouvrement entre stratifiés. Les substrats sont constitués d'un empilement de nappes unidirectionnelles suivant la séquence [0/±45/0]2S. Ils notent une bonne corrélation, mais remarquent certaines différences aux extrémités du joint de colle. Ceci est attribué à la non prise en compte par leur modèle des couplages entre flexion, cisaillement et traction propres aux composites. Pour renforcer leur analyse, ils illustrent l'effet du couplage flexion-torsion sur le chargement du joint de colle aux deux extrémités du recouvrement de leur éprouvette. Panigrahi et Pradhan [4] qui commencent par effectuer une analyse par éléments finis complète du joint pour extraire le champ de contraintes tridimensionnel, puis identifient les zones où une rupture se produit.
L’objectif de ce travaille et d’analyser par la méthodes des éléments finis tridimensionnels la distribution des contraintes de Von Mises, de pelage et de cisaillement dans le joint d’adhésif utiliser pour le collage de deux plaques en composite.
La première partie de ce travaille a pour but d’étudier le
comportement mécanique de l’assemblage
composite/composite en déterminant la distribution des contraintes en fonction de plusieurs paramètres à savoir la rigidité des matériaux ; en prenant en considération plusieurs types de matériaux tel que le carbone-époxyde, bore-époxyde, T300/934 graphite-époxyde et l’aramide-époxyde dans le but de voir l’effet de la rigidité du matériaux sur le transfert de charge dans la couche adhésif, puis on a considéré l’effet de la séquence d’empilement sur la distribution des contraintes et voir quel type de stratifié qui transmis moins de charge à la couche d’adhésif pour cela on a pris six différentes séquences d’empilements [5] avec en commun les premières couches qui sont en contact avec l’adhésif sont orientées à 0º, On a ensuite essayer de voir l’effet de utilisation du composite hybride sur la réduction des contraintes dans la couche d’adhésif.
II. MODÈLE GÉOMÉTRIQUE ET PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES Dans ce travaille, une analyse par la méthode des éléments finis tridimensionnels est présentée pour déterminer la distribution des contraintes dans le joint d’adhésif pour un assemblage type composite /composite à simple et double joint de recouvrement.
On a choisis un assemblage types composite/composite avec comme choix de materiaux quatre types qui sont :
Le carbone-époxyde [6], bore-époxyde [7], T300/934 graphite-époxyde [8] et l’aramide-époxyde [9], ces composites sont collés à l’aide de l’adhésif ADEKIT A140 [10] dont sa courbe de traction est donnée dans la Fig. 1 La distribution des contraintes dans le joint d’adhésif est analysée par le code de calcul ABAQUS [11]. Les non linéarités matérielles (colle élastoplastique) et géométriques sont prises en compte dans cette modélisation. La contrainte appliquée est d’une valeur de 40Mpa.
Fig. 1. Géométrie du modèle analysé.
Fig. 2. Courbe contrainte-déformations de l’adhésif ADEKIT A140.
TABLE I. PROPRIETES MECANIQUES DES DIFFERENTS COMPOSITES [12].
Matériau Adekit A140
carbone- époxyde
bore- époxyde
aramide - époxyde
T300/934 graphite- époxyde
E1 (GPa) 2.690 109 193.06 76 127.5
E2 (GPa) 2.690 8.819 18.617 5.5 9
E3 (GPa) 2.690 8.819 18.617 5.5 4.80
G12 (GPa) 0.99 4.315 5.516 2.3 4.80
G13 (GPa) 0.99 4.315 5.516 2.3 4.80
G23 (GPa) 0.99 3.2 7.757 2.3 2.55
U12 0.35 0.34 0.21 0.34 0.28
U13 0.35 0.34 0.21 0.34 0.28
U23 0.35 0.38 0.2 0.34 0.41
Dans cette analyse on a considéré des élements tridimensionels de type C3D8R avec un maillage rafiné au
niveau des bords et à l’interface du joint d’adhésif, ce maillage régulier est effectué pour tout les éléments de la structure tout au long de nos calculs, Il est essentiel souvent d’utiliser des éléments convenable pour le maillage pour être plus prés des cas réels du comportement au niveau des interfaces des assemblages collés.
Le collage est considéré comme étant parfait et pour l’orientation des fibres la direction (x) présente l’angle Ө=0º, (y) et (z) sont les directions transversales aux fibres. La valeur de θ est mesurée à partir de la direction longitudinale de la structure (axe-x) et elle prend des valeurs entre 0º et 90 º avec un pas de 15º, ces types de composites ont été choisis du fait de leur grande utilisation dans les applications aérospaciales.
Dans cette étude, nous allons en premier lieu nous intéressé à la détermination des contraintes interfaciales joint/substrat, et voir l’efficacité du choix de la séquense d’empilement et la nature du composite pour minimiser la concentration des contraintes interfaciales pour deux situations (joint à simple recouvrement et à double recouvrement).
On considéres six différentes séquences d’empilements présentées dans le tableau II.
Fig. 3. Maillage utilisé pour l’assemblage.
TABLE II. DIFFERENT SEQUENCES D’EMPILEMENT. 1-(02/752/-752/902)s
2- (02/602/-602/902)s
3- (02/452/-452/902)s
4- (02/302/-302/902)s
5- (02/152/-152/902)s 6- [(08)]s III. ANALYSE ET RÉSULTAT
Les différents materiaux constituants l’assemblage pour les plaques ont la même matrice époxyde par contre la nature du renfort différe, en note aussi que Les deux premiéres couches qui sont en contact avec l’adhésif sont pour toutes les séquences d’empilement orientées suivant la direction 0°.
Puisque la plupart des recherches ont montrées que suivant cette direction que la résistance de materiaux est plus élevée [12].
Fig. 4. Effet de rigidité du composite et de séquence d’empilement sur les contraintes équivalente de décollement maximale à l’interface
plaque/adhésif (14<σea<22).
Fig. 5. Effet de rigidité du composite et de séquence d’empilement sur les contraintes équivalente de décollement maximale à l’interface
plaque/adhésif (10<σea<26).
Fig. 6. Effet de rigidité du composite et de séquence d’empilement sur les contraintes équivalente de décollement maximale à l’interface
plaque/adhésif (6<σea<24).
Fig. 7. Effet de rigidité du composite et de séquence d’empilement sur les contraintes équivalente de décollement maximale à l’interface
plaque/adhésif (6<σea<14).
Fig. 8. Effet de rigidité du composite et de séquence d’empilement sur les contraintes de cisaillement maximale à l’interface plaque/adhésif
(-16<τ12<-8).
Fig. 9. Effet de rigidité du composite et de séquence d’empilement sur les contraintes cisaillement maximale à l’interface plaque/adhésif
(0<τ12<0.8)
Pour l’effet de rigidité de composite et de l’empilement on à présenter des graphes en trois dimension afin de regrouper les deux effets à la fois et pour le joint à simple et double recouvrement, on remarque que les plus grandes valeurs sont pour l’assemblage avec des adhérents en matériau Bore- époxyde et les plus faibles valeurs sont pour l’assemblage de nature aramide-époxyde.
D’après ces résultats, on peut dire que plus le matériau de l’adhérent présente des propriétés élevées, plus est le transfert de contraintes vers la couche d’adhésif. On remarque aussi que les plus grandes valeurs des contraintes dans l’adhésif sont pour l’assemblage dont la séquence d’empilement est [08]s, puisque pour cette orientation des fibres la résistance des adhérents à la charge appliquée est élevée et que la charge sera transférée vers le matériaux le moins dur dans l’assemblage et qui est entre autre l’adhésif. Les plus faibles valeurs sont pour la séquence d’empilement (02/752/-752/902)S puisque pour celle orientation le matériaux présente de faible propriétés mécaniques et le transfert de charge vers l’adhésif est faible.
Sur la base des résultats trouvés sur la distribution des contraintes en fonction de la nature des matériaux de l’assemblage et la séquence d’empilement, on a essayé d’apporter des modifications pour les adhérents.
Fig. 10. Configurations du joint en composite hybride.
Tout d’abord vu que les contraintes de décollements et les contraintes de Von Mises dans la couche d'adhésif utilisé dans l'assemblage des composites en aramide-époxyde sont significativement plus faibles que dans le cas d'un assemblage en carbone-époxyde. Et que, les containtes de cisaillement sont un peut plus élevées, on a essayé de modifier la nature de notre assemblage en utilisent un composite hybride (Fig. 5). En prenant le composite qui a les plus faibles valeurs des proprietes mécaniques qui est l’aramide-époxyde et le renforcer par des couches en carbone-époxyde.
On change seulement la nature des deux premiéres couches qui sont en contact avec l’adhésif de telle sorte qu’on aura les séquences d’empilement suivantes.
TABLE III. PRESENTATION DES SEQUENCES D’EMPILEMENT POUR LE
COMPOSITE HYBRIDE (C : CARBONE,A :ARAMIDE) 1-(02C/752A/-752A/902A)s
2- (02C/602A/-602A/902A)s
3- (02C/452A/-452A/902A)s
4- (02C/302A/-302A/902A)s
5- (02C/152A/-152A/902A)s 6- (02C/06A)s Donc pour ces configurations on aura 12 couches d’aramide-époxyde et 4 couches en Carbone-époxyde. Le but de l'utilisation de ce composite hybride est de réduire les contraintes de cisaillements dans les couches adhésives, et de renforcer le composite d'aramide époxyde pour éviter l’augmentation des contraintes de décollement.
Dans la deuxième modification (Fig. 6), on a essayé de modifier l’épaisseur des couches qui sont orientées différement de 0°, pour cette modification la natures des différentes couches est la méme en prenent comme materiaux de base des fibres en carbone et matrice époxyde.
Fig. 11. Modifications d’épaisseurs des plies en composite.
La derniére modification c’est d’essayer de faire la combinaison entre les deux modifications c'est-à-dire utiliser un composite hybride avec changement de l’épaisseur des couches qui ont l’orientation des fibres différente de 0°.
Fig. 12. Effets de rigidité et les épaisseurs des plies sur les contraintes équivalentes de décollement maximal à l’interface plaque/adhésif
(14<σea<32).
Fig. 13. Effets de rigidité et les épaisseurs des plies sur les contraintes équivalentes de décollement maximal à l’interface plaque/adhésif
(10<σea<2).
Fig. 14. Effets de rigidité et les épaisseurs des plies sur les contraintes équivalentes de décollement maximal à l’interface plaque/adhésif
(2<σea<20).
Fig. 15. Effets de rigidité et les épaisseurs des plies sur les contraintes équivalentes de décollement maximal à l’interface plaque/adhésif
(4<σea<18).
Fig. 16. Effets de rigidité et les épaisseurs des plies sur les contraintes de cisaillement maximal à l’interface plaque/adhésif (-18<τ12<-8).
Fig. 17. Effets de rigidité et les épaisseurs des plies sur les contraintes de cisaillement maximal à l’interface plaque/adhésif (0.1<τ12<0.5).
La figure 7 représente la distribution des contraintes suivant la longueur de recouvrement pour les différentes modifications apportées aux adhérends.
Les plus grandes valeurs des contraintes sont pour l’assemblage type carbone-époxyde, Pour les différentes contraintes la combinaison entre la modification de l’épaisseur des couches dont l’orientation des fibres est différente de 0° et l’utilisation d’un composite hybride présent de faibles valeurs.
Aussi il est important de noté que ces modifications entrainent d’une part une réduction des contraintes au niveau du bord et aussi faire travailler le cœur de l’adhésif qui devient de plus en plus actif. Pour la contrainte de Von mises, on remarque clairement que les plus grandes valeurs sont pour la séquence d’empilement [08]s avec un composite en carbone- époxyde et les plus faibles valeurs sont pour le cas d’un composite en aramide-époxyde.
Les différentes modifications apporte une diminution de la contrainte maximale de Von mises comparé avec celle pour le cas du composite carbone-époxyde mais qui restent un peut élevées par apport au composite aramide-époxyde.
Les plus faibles valeurs des contraintes de Von mises sont pour le cas d’utilisation d’un composite hybride avec modification de l’épaisseur des couches dans l’orientation des fibres est différente de 0° avec une sequence d’empilement (02/752/-752/902)S
Pour les contraintes de décollement, aussi les plus grandes valeurs sont pour le cas d’un composite carbone-époxyde quelque soit la séquence d’empilement. Les plus faibles valeurs sont pour le cas ou on a une combinaison de modification (composite hybride et modification de l’épaisseur) et cela pour les séquences d’empilements (02/752/-752/902)S , (02/602/- 602/902)S et (02/452/-452/902)S .
Cependant pour les séquences d’empilement (02/152/- 152/902)S et [08]s les plus faibles valeurs sont pour le cas d’un assemblage en aramide-époxyde, Pratiquement toutes les modification apportent des contraintes de décollement moins élevées que pour le cas d’un composite en carbone-époxyde.
Pour les contraintes de cisaillement, on remarque que les plus grandes valeurs sont pour le cas d’un assemblage carbone- époxyde dont les séquences d’empilements (02/752/-752/902)S , (02/602/-602/902)S et (02/452/-452/902)S. Par contre, pour les séquences d’empilement (02/152/-152/902)S et [08]s les valeurs sont élevés pour l'assembalge de composites dont l’épaisseur des couches qui ont l’orientation différente de 0° est modifiée.
Les plus faible valeurs sont noté pour le cas d’un assembalge avec composite hybride avec une séquence d’empilement (02/752/-752/902)S. Par contre pour les autres sequences d’empilements, les plus faibles valeurs sont pour l’assemblage en composite aramide-époxyde.
IV. CONCLUSION
Après les résultats de l'analye numérique par éléments finis sur l'influence des modifications géométriques et mécaniques des materiaux de l'assemblage sur la distribution des contraintes dans le joint d'adhésif pour un simple et double recouvrement, on peut tiré les conclusions suivantes:
La durabilité de l'assemblage est influencée en premier lieu par le type d'adhésif utilisé pour coller des materiaux en composite.
La valeur des contraintes dans le joint d'adhésif dépend fortement de la valeur des propriétés mcaniques du materiau de l'adhérent, plus le materiau de l'adhérent
présente des caractéristiques mécaniques élevées plus est le transfeurt de charge vers le joint d'adhésif.
L’orientation des fibres la séquence d'empilement et la nature des fibres influence fortement sur le niveau de contrainte dans le joint d'adhésif.
Si la direction des fibres tend vers 0° le materiau aura des proprités mécaniques elevées et donc un transfért des contraintes élevée pour l'adhésif.
L'utilisation d'un composite hybride et la modification de l'épaisseur des couches dont l'orientation des fibres est différentes de 0° diminue le transfert de charge vers l'adhésif et renforce en même temps le composite de l'assemblage.
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