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Exp´ erimentation et mod´ elisation du comportement m´ ecanique de structures m

Exp´ erimentation et mod´ elisation du comportement m´ ecanique de structures marines coll´ ees et a´ eronautiques coll´ ees-boulonn´ ees Michel Leroy To cite this version: Michel Leroy. Exp´ erimentation et mod´ elisation du comportement m´ ecanique de structures marines coll´ ees et a´ eronautiques coll´ ees-boulonn´ ees. Materials. ´ Ecole Nationale Sup´ erieure des Mines de Paris, 2011. French. <NNT : 2011ENMP0107>. <pastel-00732181> HAL Id: pastel-00732181 https://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00732181 Submitted on 14 Sep 2012 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entiﬁc research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destin´ ee au d´ epˆ ot et ` a la diﬀusion de documents scientiﬁques de niveau recherche, publi´ es ou non, ´ emanant des ´ etablissements d’enseignement et de recherche fran¸ cais ou ´ etrangers, des laboratoires publics ou priv´ es. MINES ParisTech Centre des Matériaux – UMR CNRS 7633 BP 87 91003 Evry Cedex, FRANCE École doctorale n° 432 : Sciences et Métiers de l’Ingénieur Doctorat ParisTech T H È S E pour obtenir le grade de docteur délivré par l’École nationale supérieure des mines de Paris Spécialité “ Science et Génie des Matériaux” présentée et soutenue publiquement par Michel LEROY le 14 octobre 2011 Expérimentation et modélisation du comportement mécanique de structures marines collées et aéronautiques collées-boulonnées Directeurs de thèse : Jacques RENARD et Alain THIONNET Jury M. Jean-Claude GRANDIDIER, Professeur des Universités, ENSMA Président M. Peter DAVIES, HDR, IFREMER Brest Rapporteur M. Christophe AUBAGNAC, Ingénieur en chef des TPE, CETE de Lyon Examinateur M. Jean-Pierre JEANDRAU, Docteur, Cetim Saint-Etienne Examinateur M. Jacques RENARD, Maître de recherche, Centre des Matériaux de Mines ParisTech Examinateur M. Alain THIONNET, Professeur des universités, Centre des Matériaux de Mines ParisTech Examinateur T H È S E 1 À mes parents, Evelyne et Jean-Yves LEROY, À ma chère Vanessa, 2 Remerciements Pour m’avoir fait l’honneur de présider le jury de ma soutenance de thèse ainsi que de rapporter le présent manuscrit, je remercie vivement M.Jean-Claude GRANDIDIER. Votre attentive relecture a grandement bénéficié au présent manuscrit, soyez-en remercié. Je remercie chaleureusement M.Peter DAVIES, que j’ai rencontré à l’occasion de la conférence WCARP IV en 2010, pour avoir aussi accepté de rapporter ce mémoire. Vos enrichissants commentaires ont été appréciés et c’est avec plaisir que j’accueillerai l’opportunité de travailler à nouveau avec vous. Je remercie spécialement M.Jean-Pierre JEANDREAU pour avoir accepté d’être examinateur bien sûr, mais aussi pour les fort intéressantes discussions que nous avons eues tout au long de ces 3 ans du projet MP32. Je te dois mon initiation au monde du collage structural ! Nos chemins se recroiseront j’en suis sûr et je m’en réjouis d’avance. Mes remerciements vont également à M.Christophe AUBAGNAC pour s’être porté examinateur de ma thèse. Grâce à votre expérience du génie civil, vous avez porté une lumière nouvelle et intéressante sur mes travaux au cours de cette soutenance, merci de l’intérêt que vous y avez porté. Pour m’avoir accueilli au Centre des Matériaux de l’Ecole des Mines de Paris, je remercie son directeur M.Esteban BUSSO. Pour la création du sujet Conception et Assemblages Multimatériaux et avoir assuré la direction de ma thèse, je remercie M.Jacques RENARD, également chef de l’équipe Composite, Adhésion, Microstructure du CdM auquel j’ai appartenu. Je remercie amicalement M.Alain THIONNET, mon co-directeur de thèse, pour sa précieuse aide sur la modélisation du comportement des matériaux et pour m’avoir apporté un inconditionnel encouragement. Votre sens du détail et de la clarté a eu une influence certaine sur la conduite de mon travail de rédaction, c’est évident. Toutes mes amitiés vont à mes camarades de laboratoire, en particulier Josserand BASSERY et Vincent JAUZEIN, pour le soutien, l’échange et l’entraide au cours de nos thèses respectives. Je remercie ici toute l’équipe CAM, surtout Jean-Christophe TEISSEDRE pour une qualité que les thésards qui ont travaillé avec lui ont systématiquement saluée : son ingéniosité ! Merci aux autres membres du Centre des Matériaux pour leurs conseils et leur aide: Vladimir GANTCHENKO, Farida AZOUZ, Sabine CANTOURNET, Lucien LAIARINANDRASANA, à l’équipe informatique pour son travail de qualité et à la sympathique équipe administrative. Une mention spéciale à Odile ADAM qui a vérifié de la bibliographie de cette thèse. Maintenant, d’un aspect plus personnel et néanmoins primordial dans la réussite d’une thèse, je souhaite remercier mon entourage : à toute ma famille et belle-famille pour son soutien, en particulier la branche parisienne qui était aux premières loges, aux amis de longue date, de l’ISAT, du CdM et d’ailleurs. Cette thèse a été l’occasion de belles rencontres. Mes études ont été librement guidées par la passion et la curiosité et je le dois à mes parents, Evelyne et Jean- Yves LEROY, qui ont su me donner cette chance. En hommage, cette thèse leur est dédiée. A la personne qui a le plus compté pour moi depuis qu’elle a croisé mon chemin et, ce faisant, celui de cette thèse : Vanessa, avec toute mon affection je te dédie cette thèse en remerciement de tes encouragements, de ton aide et de ta patience. A présent, puissions-nous nous plaire à Bordeaux autant qu’à Paris ! Michel LEROY 3 5 Sommaire 1. Introduction générale........................................................................................................................... 8 1.1. Le collage structural ....................................................................................................................................................... 8 1.1.1. Définition et mécanismes........................................................................................................................................ 8 1.1.2. Aperçu du marché des colles et adhésifs................................................................................................................. 8 1.1.3. Un exemple d’avantage concurrentiel grâce au collage.......................................................................................... 9 1.2. Les enjeux actuels : présentation du projet MP32 ........................................................................................................ 11 1.2.1. Un intérêt commun régional ................................................................................................................................. 11 1.2.2. Les objectifs des cas étudiés ................................................................................................................................. 12 1.3. Guide de lecture............................................................................................................................................................ 15 2. Etude expérimentale.......................................................................................................................... 17 2.1. Présentation des matériaux ........................................................................................................................................... 17 2.1.1. La colle polyuréthane XPU................................................................................................................................... 17 2.1.2. La colle polysulfure FMV..................................................................................................................................... 21 2.1.3. Les matériaux stratifiés......................................................................................................................................... 21 2.1.4. L’alliage d’aluminium .......................................................................................................................................... 23 2.2. Caractérisation à l’état massif....................................................................................................................................... 24 2.2.1. La colle polyuréthane XPU................................................................................................................................... 25 2.2.2. La colle polysulfure FMV..................................................................................................................................... 28 2.2.3. Les matériaux stratifiés......................................................................................................................................... 33 2.2.4. L’alliage d’aluminium .......................................................................................................................................... 40 2.3. Caractérisation in situ : le dispositif Arcan-Mines........................................................................................................ 41 2.3.1. Intérêt et présentation du moyen de mesure in situ............................................................................................... 41 2.3.2. Essais réalisés sur la colle XPU............................................................................................................................ 44 2.3.3. Essais réalisés sur la colle FMV ........................................................................................................................... 46 2.4. Essais sur structures...................................................................................................................................................... 49 2.4.1. Le dispositif de quadruple cisaillement................................................................................................................. 49 2.4.2. Les éprouvettes de simple recouvrement.............................................................................................................. 51 3. Modélisation des comportements...................................................................................................... 56 3.1. Présentation de la démarche de modélisation ............................................................................................................... 56 3.2. Cadre d’écriture des lois de comportement................................................................................................................... 56 3.2.1. Hypothèses de départ et choix du potentiel........................................................................................................... 56 3.2.2. Lois d’état............................................................................................................................................................. 57 3.2.3. Lois complémentaires........................................................................................................................................... 57 3.3. Proposition d’un nouveau modèle visco-élasto-plastique à critère de Drucker-Prager modifié pour les colles............ 60 3.3.1. Choix du potentiel................................................................................................................................................. 60 3.3.2. Lois d’état............................................................................................................................................................. 60 3.3.3. Lois complémentaires........................................................................................................................................... 61 3.3.4. Implémentation du modèle ................................................................................................................................... 63 3.3.5. Procédure d’identification du modèle................................................................................................................... 64 3.3.6. Discussion............................................................................................................................................................. 65 3.4. Identification du modèle proposé avec la colle XPU.................................................................................................... 66 3.4.1. Identification des paramètres viscoélastiques ....................................................................................................... 66 3.4.2. Identification des paramètres plastiques ............................................................................................................... 67 3.4.3. Coefficients du modèle......................................................................................................................................... 69 3.5. Identification du modèle proposé avec la colle FMV ................................................................................................... 70 3.5.1. Identification des paramètres viscoélastiques ....................................................................................................... 70 3.6. Modèle élastique orthotrope pour bois et composite .................................................................................................... 74 3.6.1. Formulation du modèle......................................................................................................................................... 74 3.6.2. Identification......................................................................................................................................................... 75 3.7. Modèle élastoplastique pour l’aluminium .................................................................................................................... 77 3.7.1. Formulation du modèle......................................................................................................................................... 77 3.7.2. Identification......................................................................................................................................................... 77 3.8. Validation du nouveau modèle ..................................................................................................................................... 78 3.8.1. Sur des trajets de chargement différents ............................................................................................................... 78 3.8.2. Sur le dispositif Arcan-Mines............................................................................................................................... 79 3.8.3. Sur des éprouvettes structurales............................................................................................................................ 84 3.9. Conclusions sur la modélisation ................................................................................................................................... 86 6 4. Validation sur liaison en T pour constructions navales..................................................................... 88 4.1. Présentation du cas ....................................................................................................................................................... 88 4.2. Essais mécaniques ........................................................................................................................................................ 89 4.2.1. Méthodes expérimentales ..................................................................................................................................... 89 4.2.2. Résultats d’essais.................................................................................................................................................. 90 4.3. Calculs numériques ...................................................................................................................................................... 92 4.3.1. Modélisation......................................................................................................................................................... 92 4.3.2. Résultats ............................................................................................................................................................... 94 4.4. Conclusions sur la validation sur les liaisons en T ....................................................................................................... 95 5. Validation sur liaison hybride boulonnée-collée pour constructions aéronautiques ......................... 97 5.1. Introduction .................................................................................................................................................................. 97 5.2. Considérations générales sur les assemblages hybrides................................................................................................ 97 5.2.1. Normes d’essai ..................................................................................................................................................... 97 5.2.2. Signification de la raideur d’une fixation.............................................................................................................. 97 5.2.3. Formules analytiques principales pour des jonctions en simple cisaillement........................................................ 98 5.3. Essais mécaniques ...................................................................................................................................................... 100 5.3.1. Présentation des liaisons boulonnées et hybrides................................................................................................ 100 5.3.2. Méthodes expérimentales ................................................................................................................................... 100 5.3.3. Résultats d’essais................................................................................................................................................ 102 5.3.4. Analyse............................................................................................................................................................... 103 5.4. Modélisation des essais et simulation......................................................................................................................... 108 5.4.1. Revue des modélisations faites des assemblages hybrides.................................................................................. 108 5.4.2. La simulation de l’éprouvette boulonnée............................................................................................................ 109 5.4.3. Le modèle de l’éprouvette hybride ..................................................................................................................... 112 5.4.4. Analyse............................................................................................................................................................... 115 5.5. Conclusions sur la validation sur liaison hybride ....................................................................................................... 117 6. Conclusion....................................................................................................................................... 119 6.1. Rappel des objectifs.................................................................................................................................................... 119 6.2. Principaux résultats atteints........................................................................................................................................ 119 6.3. Transfert des travaux .................................................................................................................................................. 120 6.4. Perspectives................................................................................................................................................................ 120 7. Bibliographie................................................................................................................................... 122 8. Publications..................................................................................................................................... 128 8.1.1. Articles ............................................................................................................................................................... 128 8.1.2. Conférences ........................................................................................................................................................ 128 9. Annexes........................................................................................................................................... 130 9.1.1. Conclusions de l’étude « Le collage en France »................................................................................................ 130 9.1.2. Présentation du cas industriel naval.................................................................................................................... 131 9.1.3. Mise en forme des éprouvettes haltères XPU ..................................................................................................... 133 9.1.4. Dessins de définition des éprouvettes employées ............................................................................................... 134 uploads/Ingenierie_Lourd/ leroy-2011-archivage-pdf.pdf