Développement d'approches expérimentales et numériques pour l’étude de l'endommagement dans des structures aéronautiques à géométries complexes

La tolérance aux dommages appliquée aux structures aéronautiques est un concept qui requiert une bonne compréhension des modes d’endommagement et une bonne maîtrise des outils de surveillance et d’inspection. Dans ce contexte, la présente thèse de doctorat a pour objectif principal de développer des stratégies expérimentales et des modèles numériques afin d’étudier différents types d’endommagement dans des structures aéronautiques et d’évaluer leurs effets sur les propriétés mécaniques et la durabilité. Pour atteindre cet objectif, quatre structures ont été sélectionnées de façon à couvrir l’ensemble des principaux modes d’endommagement observés en service. Les géométries et les scénarios d’endommagement de ces structures ont été définis en collaboration avec les partenaires industriels dans le cadre des projets CRIAQ DPHM501 et CRIAQ COMP407. Dans un premier temps, on a abordé la fissuration par fatigue dans des structures en aluminium à rivets où une étude préliminaire a été menée pour comparer la réponse ultrasonore obtenue par vibromètre laser entre un défaut artificiel usiné par électro-érosion et une fissure de fatigue. Cette étude a permis de juger la représentativité de ce type de défaut et sa validité pour la mise en place d’une technique de surveillance embarquée. Par la suite, une approche de surveillance s’appuyant sur la technique d’émission acoustique, la corrélation d’image et l’inspection par ondes guidées a été appliquée à une structure avec ligne de rivets. Cette démarche a permis de corréler la perte de rigidité, l’activité acoustique, et la chute d’amplitude des ondes guidées à l’évolution de la taille de la fissure. Dans une deuxième phase, on s’est intéressé à l’évaluation de l’effet d’un défaut de fabrication (délaminage) sur la formation d’endommagement et sur la dégradation de la rigidité dans un matériau composite. Pour cela, des plaques en CFRP tissé avec et sans défaut inséré ont été testées en fatigue. L’application de la stratégie de surveillance a permis d’évaluer la perte de rigidité moyenne et autour du défaut, de mesurer l’activité acoustique en prévenance de la zone d’inspection et d’identifier la séquence d’endommagement par la localisation des sources acoustiques. De plus, la chute de la vitesse des ondes guidées a été évaluée comme étant une mesure indirecte de la rigidité puis elle a été comparée à la dégradation de la rigidité de surface déterminée par corrélation d’image. Par la suite, le comportement d’un joint hybride fabriqué en aluminium-titane et en composite et assemblé par collage et rivetage a été étudié en statique puis en fatigue. Les essais mécaniques réalisés avec suivi de l’endommagent ont permis d’identifier cinq phases à la rupture grâce à l’analyse des paramètres de l’activité acoustique et de l’évolution du champ de déformation. De plus, un modèle numérique par éléments finis a été développé, ce modèle tient compte de la plasticité des parties métalliques et de l’endommagement dans la couche d’adhésif à travers l’implantation d’un modèle cohésif (CZM). Le modèle proposé a démontré une bonne capacité à reproduire les phases d’endommagement et à prédire la force de rupture du joint. L’effet, en fatigue, de la présence d’un défaut de collage sur la durée de vie et sur le mode de rupture a été aussi investigué pour cette structure. Dans la dernière partie de ce travail, on a étudié la formation d’endommagement dans un panneau à raidisseurs en CFRP soumis à un chargement incrémental en compression. Pour cela les déformées globales et locales ont été mesurées tout au long de la phase de post-flambage. En parallèle, le suivi de l’activité acoustique a permis de quantifier l’endommagement lié à chaque cycle de chargement, de localiser la zone d’endommagement et d’identifier mécanismes de rupture mis en jeu par l’application d’une approche de classification non supervisée. De plus, un modèle numérique par EF basé sur une analyse d’endommagement progressive a été développé. Ce modèle procède à la dégradation des propriétés mécaniques selon des critères de rupture de fibre, de matrice et de délaminage. Les résultats obtenus numériquement sont comparés aux résultats expérimentaux et ont montré une bonne corrélation au niveau des déformées, la force de flambage et celle de rupture.Abstract: Damage tolerance in aerospace structures is a concept that requires a good understanding of damage modes and monitoring techniques. In this context, the present research defines as a main objective the development of experimental strategies and numerical models to investigate different damage scenarios in typical structure configurations and evaluate their impact on mechanical properties and fatigue life. To achieve this, four different structures with increased-complexity level are selected such that the principal in service damage scenarios are covered. The geometry and damage mode for these structures are defined in collaboration with industrial partners in CRIAQ DPHM501 and COMP407 projects. Firstly, fatigue crack propagation in aluminium riveted structure was investigated, a comparison study was conducted to compare the acoustic response obtained by laser vibrometer between artificial defect made by EDM and real fatigue crack. Based on the obtained results, it was possible to judge the capacity of artificial notch to mimic real fatigue crack for the implementation of SHM approach. Thereafter, in-situ monitoring approach was developed using acoustic emission, digital image correlation and ultrasonic guided waves for tracking fatigue cracks on riveted structure. Thus, it was possible to correlate the stiffness decrease, the acoustic emission activities and the wave amplitude decay to crack size propagation. Secondly, the effect of manufacturing defect (delamination) on the damage development and stiffness degradation in composite material was evaluated. Hence, plain weave CFRP plates with and without embedded defect were tested under fatigue loading. By applying the monitoring strategy, it was possible to measure the average stiffness degradation and its values around the defect, the acoustic activity from the inspection area was also registered and localized by a planar location algorithm, which provided insight on damage development sequences. Additionally, the wave velocity of the guided waves was evaluated as an indirect measurement of the stiffness degradation and then compared with the surface stiffness obtained by digital image correlation. The mechanical behavior in hybrid lap joint made by assembling aluminium-titanium and CFRP plates using riveting and bonding techniques was tested under static and fatigue loading. The experimental study has allowed to identify the five stages until failure by analyzing the acoustic activity and the strain field. A FE model was developed based on elasto-plastic behavior for metallic parts and cohesive law (CZM) for the adhesive layer. The model was able to reproduce correctly the damage steps and predict the final strength. Furthermore, the impact of bonding defect on fatigue life and failure mode was also investigated. The last chapter considers an experimental and numerical investigation on stiffened composite panel subject to in plane compression loading. The buckling and post buckling phases were characterized by the measurement of the out of plane deflection using DIC system and strain gage placed at different positions. The acoustic activity was registered, and the coordinates of AE hits were determined giving valuable information on damage location. The AE was also clustered according to unsupervised strategy which yielded to the presence of two classes of damage mechanisms. In addition, a FE model based on progressive damage analysis was developed. The model considers respectively: fiber failure, matrix cracking, fiber-matrix shearing and delamination. The comparison between experimental and numerical results show excellent agreement on buckling and failure load prediction. The damage position and sequences show also good matching for the most loading stage