Les matériaux composites sont depuis plusieurs décennies un domaine d’innovation dans le contexte de l’allégement des structures. Néanmoins, ils subsistent encore certains points d’amélioration concernant l’assemblage de ceux-ci entre eux ou sur des pièces métalliques. Le collage dit « structural » est alors une technologie incontournable pour l’assemblage de structure multi-matériaux. L’intégration du collage dans le processus de développement et de dimensionnement des structures requiert l’utilisation de modèles numériques adaptés ainsi qu’une approche de caractérisation fiable. De plus, dans le domaine du crash (code explicite), le modèle doit être compatible avec les contraintes de temps de calcul. Ces travaux de thèse proposent de définir une démarche de caractérisation et de modélisation des assemblages par collage soumis à des sollicitations dynamiques. L’objectif final est de proposer un modèle capable de simuler des structures sous sollicitations de types crash. Pour cela, un modèle phénoménologique (modèle à l’échelle mésoscopique) est caractérisé à l’aide d’essai de type bulk. Ce modèle permet une description fine du champ mécanique au sein d’un assemblage. Ce modèle combiné avec des essais réalisés sur un dispositif de type Arcan spécialement adapté pour des sollicitations dynamiques permet une identification d’un critère de rupture intrinsèque. À l’aide de ce modèle et du critère de rupture, un élément cohésif (modèle à l’échelle macroscopique) compatible avec les contraintes de temps de calcul est identifié. Finalement, ce modèle est validé par des essais dynamiques de sous-structure multi-matériaux. / Since few decades, composite material is an innovative field for the reduction of structure weight. However, assemblies of composite together or with metallic part are still a challenging point. Structural bonding is an unavoidable technology for the assemblies of multi-materials structures. Within the development and dimensioning procedure, the use of bonding requires the definition of numerical models and characterization methods. Furthermore, in crashworthiness (explicit code), models must be in agreement of time calculation limitations. The present work propose to define a modelling and characterisation approach for bonding assemblies under dynamic loading. The final aim is to provide a model able to modelling multi-materials structure under crash loading. For it, a characterisation of a phenomenological model (mesoscopic scale) is proposed. This model allow a fine description of the mechanical field in the bonded joint. With test carried out with an Arcan test device specially developed for dynamic loading, the mesoscopic model is used for the identification of an intrinsic failure criteria. Using mesoscopic model and the intrinsic failure criteria, a cohesive model (macroscopic model) in agreement of time calculation limitations is identified. Finally, this model is validated through dynamic tests on multi-materials substructures.

Afin de limiter les impacts environnementaux, les industries du transport (automobile, aéronautique, etc.) cherchent à alléger leurs produits. Cette recherche de gain de masse peut conduire à l'utilisation des adhésifs dans la réalisation des structures assemblées. Dans les situations de crash, les joints de colle introduits peuvent jouer un rôle critique sur la tenue globale de l'assemblage. Par conséquent, la maîtrise de leur comportement mécanique devient un point clef de développement. Notamment en vue du « virtual testing », il est essentiel de disposer de lois de comportement fiables dans le but de fournir des outils de calcul prédictifs à l'ingénieur. Les travaux de thèse portent sur le développement d'une démarche expérimentale permettant de caractériser le comportement mécanique d'adhésifs sous sollicitations dynamiques combinées. Le développement d'une éprouvette Arcan et d'un dispositif de sollicitation dédiés à la caractérisation des adhésifs en dynamique constituent le coeur du travail de thèse. Après une phase de validation, le moyen d'essais développé a été utilisé afin de caractériser le comportement dynamique de trois adhésifs structuraux. Les résultats obtenus ont été comparés à des essais « structures » de type TAST. En parallèle de ces travaux expérimentaux, une ouverture sur la modélisation numérique des adhésifs est proposée. La stratégie de modélisation se base sur l'utilisation d'éléments cohésifs et d'une loi de comportement développée suivant la méthode de l'état local. L'identification des paramètres matériaux est réalisée par méthode directe et inverse à partir des résultats issus d'essais Arcan. La stratégie de modélisation développée a été transposée à des essais TAST et simple recouvrement. Les prédictions faites par les modèles sont proches des résultats expérimentaux validant ainsi l'approche numérique mise en oeuvre. / In order to limit environmental impacts, the transport industries (automotive, aeronautics, etc.) are seeking to reduce the weight of their products. This search for mass gain can lead to the use of adhesives in the manufacturing of assembled structures. In crash situations, introduced bonded joints can play a critical role in the overall strength of the assembly. Consequently, their mechanical behaviour becomes a key development point. Especially for virtual testing, it is essential to have reliable behaviour laws in order to provide predictive computing tools to the engineer. The thesis work focuses on the development of an experimental approach to characterize the mechanical behaviour of adhesives under combined dynamic loadings. The development of an Arcan specimen and a test rig dedicated to the dynamic characterization of adhesives is the core of the thesis work. After a validation step, the developed test mean was used to characterize the dynamic behaviour of three structural adhesives. The results obtained were compared with "structural" TAST tests. In parallel of this experimental work, a first study on the numerical modelling of adhesives is proposed. The modelling strategy relies on the use of cohesive elements and a behaviour law developed according to the local state method. The identification of material parameters is carried out by direct and inverse methods from the results of Arcan tests. The modelling strategy developed has been transposed to TAST and single lap joint tests. The predictions made by the models are close to the experimental results and therefore validate the implemented numerical approach.

Dans des contextes industriels spécifiques, coller un revêtement épais élastomère à des canalisations en acier constitue le meilleur moyen de les protéger de la corrosion en milieu marin. Ce travail de thèse a principalement pour objectif de mieux appréhender le comportement à long terme de ces assemblages acier/colle/revêtement en milieu marin. Deux approches complémentaires ont été définies. La première se base sur des outils statistiques pour traiter les données de caractérisations physico-chimiques des matériaux issus des assemblages utilisés en service depuis plus de trente ans. A partir de ces données hétérogènes (les assemblages sont différents en termes de formulations des matériaux, de procédé de collage et de conditions de vieillissement); des groupes homogènes présentant des scénarios de vieillissement identiques ont été identifiés et les mécanismes majeurs de dégradation du revêtement ont été établis. La seconde approche se focalise sur les assemblages actuellement utilisés dans les opérations de rénovation. Une démarche expérimentale a donc été mise en place en laboratoire afin d’accélérer de manière contrôlée le vieillissement des matériaux et assemblages. Les objectifs sont multiples. Pour chaque matériau (revêtement et colle), il s’agissait de comprendre les mécanismes de dégradation et les cinétiques d’absorption d’eau qui expliquent les évolutions de propriétés mécaniques et physico-chimiques observées au cours du vieillissement. De même, les interfaces ont été caractérisées et les paramètres de procédé qui influent sur la tenue de l’interface métallique ont été identifiés. Cette approche découplée a permis de mieux comprendre le comportement en milieu marin de l’assemblage d’étude à partir de celui des matériaux et interfaces présentes. / In some industrial applications, bonding rubber coatings to metallic pipelines is a suitable solution to protect them from marine corrosion. This study deals with the long term behavior of such metallic coated pipelines in a marine environment. Two different approaches have been developed. The first focuses on degradation data of pipelines used for around thirty years in normal service conditions. As these bonded assemblies are different in terms of material formulations, manufacturing processes and aging conditions, statistical tools were used to identify homogeneous groups with identical aging mechanisms. Also, based on these results, the main degradation mechanisms of the rubber coating were established. The second approach focused on pipelines used currently in renovation operations. An experimental methodology was developed in the laboratory to accelerate aging processes. The bulk materials, surfaces and interfaces were characterized physically, chemically and mechanically before and after natural sea water ageing. This enabled an understanding of the mechanisms and kinetics governing adhesion and degradation to be developed. It also allowed the influence of sea water aging on the failure strength of the assembly of interest to be investigated.

L’objectif de ce travail est de qualifier l’utilisation du collage structural en remplacement des solutions d’assemblage conventionnel dans les applications lanceur spatiaux. Si les gains potentiels tant en terme opérationnel qu’en terme de performance ne sont plus à démontrer il reste à mettre en place une démarche de dimensionnement qui garantisse le niveau important de fiabilité requis. Deux adhésifs structuraux de types époxydes ont été étudiés : l’EA9394 et le SW2216. Un travail important d’analyse physico-chimique des surfaces a été mené pour mettre en place un procédé d’assemblage stable et performant. L’analyse mécanique des liaisons collées a montré que l’adhésif subit en situation des sollicitations combinées de traction et de cisaillement. Un dispositif dérivé des essais Arcan à été proposé qui permet d’obtenir la réponse du film de colle sous forme de courbe contrainte déplacement relatif des substrats. La résistance mécanique mesurée au moyen des essais Arcan mais également sur le matériau adhésif montre une forte dispersion liée à un taux de porosité important mais également à une microstructure très hétérogène constituée d’une matrice époxyde et mélangée à des particules d’aluminium (adhésif EA9394). Enfin, le collage a été étudié à une échelle plus macroscopique en tentant de proposer un dimensionnement de liaison pour le lanceur démonstrateur Arcadia. Les lanceurs étant des structures à symétrie de révolution, un modèle semi-analytique de liaison collée axisymétrique a été développé.Ce travail a permis la mise en place d’une démarche d’analyse mettant en avant les analyses à l’échelle du film, de la liaison et de la structure pour mettre en évidence les nombreux phénomènes à l’origine d’une ruine prématurée de la liaison. Cette optimisation multiéchelle doit être conduite pour maximiser la résistance spécifique de la liaison en assurant le niveau de fiabilité requis pour cette application spatiale. / The objective of this study is to qualify the use of structural bonding as a replacement for conventional assembly solutions in space launcher applications. Potential benefits in fabrication and of final performance are already known, but it remains to establish a design approach to guarantee the high level of reliability required. Two epoxy structural adhesives have been studied: EA9394 and SW2216. A study of the physico-chemistry of surfaces has been effected in order to find a stable and strong bonding process. Mechanical analysis of bonded connections revealed that the adhesives could be subjected in use to mixed loadings in tension and shear. A device derived from Arcan tests has been proposed in which it is possible to obtain adhesive layer responses as stress/relative deformation for different substrates. Mechanical strength measured with the Arcan device and also on the bulk adhesive material revealed a high variability coming from a significant porosity fraction but also due to a highly heterogeneous microstructure constituted of epoxy matrix and aluminium particles (EA9394adhesive). Bonding has been studied on a macroscopic scale proposing connection design for the demonstration Arcadia launcher. A rocket being an axially symmetrical structure, a semi-analytical model of axisymmetric bonded connections has been developed. This study resulted in the finalisation of an analysis approach pointing to scale analysis of the adhesive layer, connection and structure in order to emphasise the many phenomena which could cause early bond failure. This multiscale approach should be effected to increase specific assembly strength while assuming the required reliability level for this spatial application.