Caractérisation et modélisation des joints de colles sous sollicitations bi-axiales statiques

Today, structural bonding presents an interesting alternative to conventional methods of assembly, in order to reduce the weight within aeronautical structures. However, the use of this method raises many questions in terms of design, characterization or modeling. This work presents a robust experimental work, aiming two main objectives: (i) select the most suitable instrumentation for the characterization of the behavior of bonded joints up to failure and (ii) predict the behavior of bonded joints from complete characterization and modeling under quasi-static bi-axial loading, using a simple test, directly integrated to industry. In a first stage, to achieve this goal, modified Scarf test has been proposed to characterize the mechanical behavior of adhesive joints. This type of specimen allows applying multiaxial loadings without having high-stress concentrations near the edges. The second part of the thesis deals with the development of a strategy for simplifying the characterization of a bonded joint using some hypotheses (stress/strain states). This strategy allows obtaining the intrinsic behavior of the adhesive in the form of the stress/strain curves. The last part of this work deals with the identification and selection of the most appropriate instrumentation systems in the experimental characterization.Le collage structural se présente comme une alternative intéressante aux méthodes classiques d'assemblages par ajout d’éléments mécaniques pour alléger les structures aéronautiques. Cependant, l'utilisation de cette méthode soulève de nombreuses questions en termes de conception, caractérisation ou modélisation. Ce travail, à fort caractère expérimental, visent deux grands objectifs : (i) sélectionner les moyens d'instrumentation les plus adaptés pour la caractérisation du comportement jusqu'à rupture des assemblages collés et (ii) prédire le comportement des assemblages collés à partir d'une caractérisation et d'une modélisation complète sous chargements quasi-statiques bi-axiaux, en utilisant un type d’essai simple et industrialisable. Dans un premier temps, pour atteindre ces objectifs, un nouvel essai appelé Scarf modifié a été proposé, afin de caractériser le comportement mécanique du joint de colle, en minimisant les effets de bord par la présence de becs. La deuxième partie de la thèse porte sur le développement d'une stratégie de caractérisation simplifiée du comportement de joint de colle, sous certaines hypothèses (états de contraintes/déformations, continuité du champ de contraintes). Cette stratégie a permis d'obtenir le comportement intrinsèque de l’adhésif sous la forme de courbes contraintes/déformations. La dernière partie abordée dans ces travaux, s'intéresse quant à elle à l'identification et la sélection des moyens de métrologie les plus appropriés, pour accompagner la caractérisation expérimentale

Characterization and modeling of adhesive bonded joints under quasi-static loadings

Le collage structural se présente comme une alternative intéressante aux méthodes classiques d'assemblages par ajout d’éléments mécaniques pour alléger les structures aéronautiques. Cependant, l'utilisation de cette méthode soulève de nombreuses questions en termes de conception, caractérisation ou modélisation. Ce travail, à fort caractère expérimental, visent deux grands objectifs : (i) sélectionner les moyens d'instrumentation les plus adaptés pour la caractérisation du comportement jusqu'à rupture des assemblages collés et (ii) prédire le comportement des assemblages collés à partir d'une caractérisation et d'une modélisation complète sous chargements quasi-statiques bi-axiaux, en utilisant un type d’essai simple et industrialisable. Dans un premier temps, pour atteindre ces objectifs, un nouvel essai appelé Scarf modifié a été proposé, afin de caractériser le comportement mécanique du joint de colle, en minimisant les effets de bord par la présence de becs. La deuxième partie de la thèse porte sur le développement d'une stratégie de caractérisation simplifiée du comportement de joint de colle, sous certaines hypothèses (états de contraintes/déformations, continuité du champ de contraintes). Cette stratégie a permis d'obtenir le comportement intrinsèque de l’adhésif sous la forme de courbes contraintes/déformations. La dernière partie abordée dans ces travaux, s'intéresse quant à elle à l'identification et la sélection des moyens de métrologie les plus appropriés, pour accompagner la caractérisation expérimentale.Today, structural bonding presents an interesting alternative to conventional methods of assembly, in order to reduce the weight within aeronautical structures. However, the use of this method raises many questions in terms of design, characterization or modeling. This work presents a robust experimental work, aiming two main objectives: (i) select the most suitable instrumentation for the characterization of the behavior of bonded joints up to failure and (ii) predict the behavior of bonded joints from complete characterization and modeling under quasi-static bi-axial loading, using a simple test, directly integrated to industry. In a first stage, to achieve this goal, modified Scarf test has been proposed to characterize the mechanical behavior of adhesive joints. This type of specimen allows applying multiaxial loadings without having high-stress concentrations near the edges. The second part of the thesis deals with the development of a strategy for simplifying the characterization of a bonded joint using some hypotheses (stress/strain states). This strategy allows obtaining the intrinsic behavior of the adhesive in the form of the stress/strain curves. The last part of this work deals with the identification and selection of the most appropriate instrumentation systems in the experimental characterization

Methodology to characterize damage mechanisms in adhesive bonding joints under bi-axial loadings

International audienc

Cluster analysis of acoustic emission data to investigate the damage evolution in modified scarf joint under bi-axial loading

International audienceNon-destructive monitoring of damage evolution within material or bonding assembly becomes an essential tool to better understand its mechanical behavior, and therefore to prevent failure risks of engineering structures that involve adhesive bonding matters. This paper presents the experimental results of monotonic tests that were conducted firstly to investigate the effects of bi-axial loadings (with different shear/peel ratios) on the mechanical damage evolution of metal/metal bonded joint, and secondly to both detect and identify the acoustic emission (AE) signatures of the different failure mechanisms involved in the bonded joint damage. Results from specimens with modified scarf joint show that the loading configuration (shear/peel ratio) strongly influences the normal stiffness of the adhesively-bonded joint. For each loading configuration, repetitive tests were performed, and loading rate effects on the mechanical behavior of adhesively-bonded joint were analyzed. In addition to these results, a k-means++ algorithm was used to achieve a cluster analysis of AE data, and to allow AE events that were generated by damage evolution of the bonded joint to be identified. A particular AE signature is highlighted since it allows monitoring damage evolution of the adhesively-bonded joint. Test results also show that the highest value of acoustic energy is detected when the slope of the mechanical behavior curve (macroscopic scale) drastically changes. This finding is used to perform a real-time detection of the adhesive yield strength