Etude du comportement mécanique de patchs composites utilisés pour le renforcement de structures métalliques aéronautiques - Université Clermont Auvergne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2005

Etude du comportement mécanique de patchs composites utilisés pour le renforcement de structures métalliques aéronautiques

Jean-Denis Mathias

Résumé

Bonded composite patches are used as structural repairs in several fields of ap-
plication such as civil engineering for damaged concrete structures or aeronautics for
components which exhibit damages, defects or impacts. A similar case of application
consists in using patches for the prevention of defect propagation. The present work
deals with the reinforcement of metallic structures using composite patches in order
to delay the damage appearance.
The proper design requires therefore the use of specific tools to define optimal
characteristics of patches in terms of geometry, number of plies, ply orientations,
location on the structure... A patch optimization programme based on genetic algo-
rithms is developed in this work to reach this goal. The algorithm is associated with
the ANSYS finite element package to calculate the objective function of any rein-
forcement configurations. The programme has been used to design several patches
bonded on structures submitted to different loadings (tensile and shear tests) so as
to reduce stress concentration in a given area.
Main failures are owing to stress concentrations in the adhesive due to the load
transfer from the substrate to the patch. Unidimensional approaches are classically
used in the literature to model the stress distribution in the adhesive, but these
approaches do not account for the difference of the Poisson's ratios between both
the substrate and the composite. Some numerical and analytical models have been
developed from the equilibrium equations obtained along the two directions of the
problem. Bidimensional coupling phenomena are observed, especially at the edges
of the patch when it is rectangular.
At the same time, uniaxial tensile tests have been performed on aluminium spe-
cimens reinforced by rectangular carbon/epoxy patches. The grid method has been
used to measure the displacement field on the patches. Experimental evidence of the
load transfer along the two dimensions of the problem has been obtained. Measure-
ments have been compared with the numerical and analytical models, thus pointing
out some differences due to the assumptions under which models are built.
Des patchs en matériaux composites sont classiquement utilisés dans l'aéronautique pour la réparation des structures métalliques présentant des dommages de
type fissures, criques ou impacts. Une alternative à la réparation de ces structures consiste à les renforcer préventivement, avant que les défauts n'apparaissent. Le
contexte de ce travail est celui de la maintenance préventive de structures métalliques aéronautiques par renforts composites, dans le but de retarder l'apparition ou la propagation de fissures.
La conception des renforts nécessite l'utilisation d'outils spécialisés pour définir les caractéristiques optimales du patch : géométrie, nombre de plis unidirectionnels,
orientation des plis les uns par rapport aux autres, positionnement autour de la zone à soulager... Pour cela, un programme d'optimisation de patchs par algorithme
génétique a été écrit. Il est couplé à un logiciel de calcul par éléments finis : Ansys.
L'algorithme génétique mis en oeuvre a permis de déterminer des caractéristiques de patchs dont la géométrie extérieure est définie par une courbe spline fermée, ceci afin de réduire de manière optimale les contraintes mécaniques dans une zone donnée, et
ce pour différents types de sollicitations.
De nombreuses d´efaillances des assemblages collés patch/substrat sont liées à des concentrations de contraintes dans la colle dues à l'existence d'une zone de
transfert progressif d'effort du substrat vers le patch. Des approches unidirectionnelles du transfert d'effort sont classiquement utilisées dans la littérature. Elles ne
tiennent cependant pas compte d'effets bidimensionnels comme la différence des coefficients de Poisson qui peut exister entre le substrat et le composite. A partir des
équations d'équilibre, des modèles analytique et numérique bidimensionnels ont donc été développés. Des phénomènes de couplages bidimensionnels ont ainsi bien été mis en évidence.
Parallèlement, des essais de traction uniaxiale ont été réalisés sur des éprouvettes en aluminium renforcées par des patchs en carbone/époxyde. La méthode de la grille a été utilisée pour mesurer des champs cinématiques en surface du patch composite.
Cette méthode a permis d'étudier expérimentalement le transfert des efforts entre le substrat et le renfort suivant les deux dimensions du problème et de comparer les résultats obtenus avec les différents modèles développés au préalable.

Domaines

Matériaux
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Dates et versions

tel-00159157 , version 1 (02-07-2007)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00159157 , version 1

Citer

Jean-Denis Mathias. Etude du comportement mécanique de patchs composites utilisés pour le renforcement de structures métalliques aéronautiques. Matériaux. Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00159157⟩
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