Ce mémoire, scindé tout au long de ses chapitres entre deux projets distincts de caractérisation de matériaux, présente les aspects expérimentaux d'une étude sur les joints d'aluminium collés d'une part et les matériaux composites à fibres courtes orientées aléatoirement d'autre part.Ce travail s'est effectué au sein d'une entreprise ; ceci explique l'importance accordée à une approche industrielle des sujets de recherche. La revue de littérature sur ces secteurs innovants a permis d'influencer les choix techniques et d'orienter les étapes pratiques. Les propriétés de base, notamment en termes de rigidité et de résistance, ont été caractérisées à l'aide de tests mécaniques normalisés. D'autres mesures ont aussi été faites par des méthodes plus variées comme la microscopie, les ultrasons, l'analyse thermomécanique. Finalement, les résultats ont permis de mieux connaître ces matériaux et les technologies associées (pour le collage notamment) et de procurer des données expérimentales fiables et concrètes en vue d'une optimisation des structures faisant appel à ces techniques. Dans le cas du collage, l'importance du traitement de surface a été prouvée, et plusieurs paramètres intervenant dans ce procédé d'assemblage ont pu être étudiés (température, épaisseur du joint, géométrie). La résistance importante du collage a aussi été démontrée, tant en statique (21 MPa) qu'en limite d'endurance. Pour l'étude des composites, les points faibles d'une coque de bateau ont pu être identifiés et une classification des propriétés dans la structure proposée (trois zones de résistances comprises entre 21 et 36 MPa). L'impact de la densité de la résine et de la quantité de fibres, de même que l'influence de l'orientation des fibres ont été abordés dans ce problème. Enfin, une étude en flexion a permis de chiffrer un écart de 35,4 % entre la déformation relevée à la fissure du revêtement gel-coat, en surface donc uniquement esthétique, et celle du composite lors de son bris structural.

Cette étude a pour objectif final la réalisation d'un ancrage de hauban plat en composite. La technique du collage structural est choisie pour celle-ci et une majeure partie du document s'attache donc à comprendre et décrire le transfert des e

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.

L'objectif de cette étude est de s'intéresser au comportement d'un adhésif structural chargé de type époxydique, à l'état massique d'une part et au sein d'un assemblage réalisé entre deux substrats métalliques d'autre part. Ce comportement doit être déterminé à l'état initial mais aussi après vieillissement humide, afin de dimensionner une structure uniquement collée, un train arrière de voiture dont la traverse est en acier et les bras en aluminium.<br />Les différents essais mécaniques effectués à l'état initial sur adhésif massique d'une part (traction sur éprouvettes haltères, pendule de torsion, . . .) et sur assemblages collés d'autre part (torsion, essais mixtes de type Arcan) ont conduit à des disparités de résultats très importantes. Les charges de type minéral incorporées à la formulation industrielle de l'adhésif conduisent à des modules (d'Young, de cisaillement) qui sont fortement dépendants de l'épaisseur des joints. Ce phénomène n'est pas observé dans le cas de joints réalisés avec une formulation d'adhésif à laquelle les charges minérales n'ont pas été ajoutées. Les analyses microscopiques ont mis en évidence le rôle prépondérant joué par la microstructure. Les charges (de talc en particulier) sont constituées de feuillets dont les énergies de cohésion inter-feuillets sont très faibles. Après la réticulation à haute température, au cours du refroidissement, des contraintes vont se localiser autour de ces charges et conduire à un endommagement responsable de la chute des propriétés élastiques du joint. Des essais in situ au microscope électronique à balayage (traction ou cisaillement) ont aussi permis de comprendre le rôle de la microstructure et son comportement en cours d'essai. Les feuillets de talc s'exfolient et créent ainsi un réseau de microfissures au coeur du joint. La fissure finale qui conduit à la rupture du joint passe alors par un maximum de ces charges. La conséquence première est que la contrainte à rupture du joint est directement reliée à la fraction de charges. Mais l'ajout de ces charges minérales permet aussi de conserver un faciès de rupture cohésif quand des essais avec la formulation sans charges conduisent à une rupture de type adhésive.<br />La diffusion d'eau dans la matrice polymère se fait selon une cinétique non fickienne. L'eau est présente dans une première phase, liée aux sites polaires du polymère, et dans une seconde, sans interaction avec la matrice.<br />Cette diffusion, de type Langmuir, permet de décrire les courbes de gravimétrie enregistrées pour différentes températures et conditions d'humidité. Ces différentes atmosphères de vieillissement ont permis de relier simplement les différents paramètres du modèle de diffusion. Les propriétés mécaniques et physico-chimiques mesurées sur l'adhésif massique varient proportionnellement à la concentration d'eau présente dans l'adhésif. Ce modèle, transposé aux joints collés permet là aussi de parfaitement modéliser les évolutions des propriétés mécaniques en fonction du vieillissement. Cela suppose donc que les effets de la diffusion à l'interface métal / polymère ne sont pas différents de ceux au coeur du joint. <br />L'ensemble de ces résultats rassemblé au sein d'un modèle même numérique permet de connaître précisément l'état d'une structure après vieillissement et permet donc ainsi de dimensionner la structure industrielle souhaitée.

La mixité bois-béton est une solution intéressante dans le domaine des ouvrages d'art pour la réalisation de ponts, et dans le domaine du bâtiment dans la confection de planchers mixtes bois-béton. Le laboratoire Navier travaille depuis plusieurs années au développement du procédé par collage appliqué aux structures mixtes bois-béton. En effet, cette technique d'assemblage permet d'assurer une connexion quasi-parfaite entre le bois et le béton, contrairement aux techniques d'assemblage usuelles (connecteurs métalliques). Des travaux antérieurs ont montré la bonne performance de structures mixtes collées bois-béton du point de vue de leur tenue mécanique en fatigue. Cependant la connexion par collage nécessite une étude complémentaire concernant la durabilité de l'assemblage collé bois-béton, en particulier lorsque la structure mixte est soumise à des conditions hygrométriques variables. Les travaux menés pendant la thèse ont pour objectifs de déterminer les facteurs qui influent sur la tenue de ces assemblages collés sous chargement hydrique ; ils se divisent en 3 parties :-Deux parties expérimentales :(1)Des tests de cisaillement " Push-Out ", en collaboration avec le Laboratoire Départemental d'Autun, ont permis d'évaluer l'effet des propriétés élastiques de l'adhésif sur la tenue en cisaillement de l'assemblage. L'objet de cette étude expérimentale est de valider un choix de colle pour ce type d'assemblage, prenant en compte un vieillissement hydrique, en se basant sur la capacité maximale atteinte en cisaillement, et le mode de rupture de l'assemblage. (2)Parallèlement aux tests de cisaillement, l'effet de chargements hydriques sur la tenue d'assemblages collés bois-béton a été étudié. L'analyse du comportement hydrique de la structure a été réalisée par la technique de corrélation d'image (DIC) sur des assemblages bois-béton collé de petite taille. Ces mesures de déformations locales ont permis de localiser des zones d'endommagement liées notamment aux déformations hydriques du bois empêchées par l'interface collée. Les effets des propriétés élastiques de l'adhésif, de la géométrie du bois (notamment sa structure et le sens des cernes par rapport au plan de collage) ainsi que du comportement mécanique du matériau cimentaire ont été étudiés.- Une partie numérique :(3) Un modèle numérique par éléments finis a été validé en comparant les résultats numériques aux cartes de déformation obtenues expérimentalement. L'analyse numérique a permis de quantifier les contraintes induites au niveau de l'interface en relation avec les déformations hydriques empêchées par l'interface collée et de prévoir le comportement à l'échelle 1 de structures mixtes. Ces différentes investigations ont permis de proposer des solutions optimisant ce type de connexion et de définir des conditions de mise en œuvre et d'utilisation de ces assemblages

La mixité bois-béton est une solution intéressante dans le domaine des ouvrages d'art pour la réalisation de ponts, et dans le domaine du bâtiment dans la confection de planchers mixtes bois-béton. Le laboratoire Navier travaille depuis plusieurs années au développement du procédé par collage appliqué aux structures mixtes bois-béton. En effet, cette technique d'assemblage permet d'assurer une connexion quasi-parfaite entre le bois et le béton, contrairement aux techniques d'assemblage usuelles (connecteurs métalliques). Des travaux antérieurs ont montré la bonne performance de structures mixtes collées bois-béton du point de vue de leur tenue mécanique en fatigue. Cependant la connexion par collage nécessite une étude complémentaire concernant la durabilité de l'assemblage collé bois-béton, en particulier lorsque la structure mixte est soumise à des conditions hygrométriques variables. Les travaux menés pendant la thèse ont pour objectifs de déterminer les facteurs qui influent sur la tenue de ces assemblages collés sous chargement hydrique ; ils se divisent en 3 parties :-Deux parties expérimentales :(1)Des tests de cisaillement « Push-Out », en collaboration avec le Laboratoire Départemental d'Autun, ont permis d'évaluer l'effet des propriétés élastiques de l'adhésif sur la tenue en cisaillement de l'assemblage. L'objet de cette étude expérimentale est de valider un choix de colle pour ce type d'assemblage, prenant en compte un vieillissement hydrique, en se basant sur la capacité maximale atteinte en cisaillement, et le mode de rupture de l'assemblage. (2)Parallèlement aux tests de cisaillement, l'effet de chargements hydriques sur la tenue d'assemblages collés bois-béton a été étudié. L'analyse du comportement hydrique de la structure a été réalisée par la technique de corrélation d'image (DIC) sur des assemblages bois-béton collé de petite taille. Ces mesures de déformations locales ont permis de localiser des zones d'endommagement liées notamment aux déformations hydriques du bois empêchées par l'interface collée. Les effets des propriétés élastiques de l'adhésif, de la géométrie du bois (notamment sa structure et le sens des cernes par rapport au plan de collage) ainsi que du comportement mécanique du matériau cimentaire ont été étudiés.- Une partie numérique :(3) Un modèle numérique par éléments finis a été validé en comparant les résultats numériques aux cartes de déformation obtenues expérimentalement. L'analyse numérique a permis de quantifier les contraintes induites au niveau de l'interface en relation avec les déformations hydriques empêchées par l'interface collée et de prévoir le comportement à l'échelle 1 de structures mixtes. Ces différentes investigations ont permis de proposer des solutions optimisant ce type de connexion et de définir des conditions de mise en œuvre et d'utilisation de ces assemblages / The wood-concrete composite is an interesting solution in the field of Civil Engineering to create high performance bending elements for bridge, as well as in the building construction for the design of wood-concrete floor systems. The Navier laboratory has been working for many years on the development of the bonding process as applied to wood-concrete composite structures. Contrary to conventional joining connectors (metal connectors), this assembling technique does ensure an almost perfect connection between wood and concrete. Previous work has already shown good performances of glued wood-concrete composite structures in terms of mechanical fatigue. However, the bonding connection requires additional research on the long-term behaviour of glued wood-concrete composites, especially when this structure is subjected to variable hygrometric conditions. The work undertaken during this thesis aims at determining the factors which induce damages on these glued wood-concrete assemblies under hygrometric loading; the research is divided into 3 parts:-Two experimental parts:(1)"Push-Out" shear tests conducted in collaboration with the Departmental Laboratory of Autun, were used to assess the effect of the elastic properties of the resin on the shear strength of the assembly. This experimental study aims at validating the adhesive of choice for this kind of connection, taking into account ageing under variable hygrometric conditions. Analysis is based on maximum shear capacity and on the failure mode of the assembly. (2)In addition to shear tests, the effect of hygrometric loading on the durability of glued wood concrete assemblies was examined. The analysis of the hydric behaviour of the structure was carried out by the digital image correlation (DIC) technique on small-sized glued wood-concrete assemblies. The measurements of the local deformations allowed us to locate areas of damage, particularly due to the hydric deformations of the wood prevented by the glued connection The effects of the elastic properties of the resin, the microstructure of the wood (including its structure and the direction of the annual rings) as well as the mechanical behaviour of the concrete material were examined.- A numerical part:(3) A numerical finite element model was validated by comparing the numerical results to the deformation maps experimentally obtained. Numerical analysis was used to quantify the stresses induced to the structure, in relation to hydric deformations prevented by glued connection. Moreover investigations at the full scale were conducted to evaluate the long-term behaviour under variable hygrometric conditions. These investigations were conducted in order to offer solutions aiming at optimizing this type of connection, and to define conditions for use of these glued assemblies

Ces dernières années, le collage structural est devenu une technique d'assemblage particulièrement prisée par l'industrie des transports. Son développement est néanmoins ralenti par des restrictions sévères et des règles de dimensionnement qui demeurent quelque peu empiriques. Aujourd'hui encore, les méthodes de caractérisation et les outils basés sur la méthode des éléments finis ne sont pas toujours appropriés aux applications industrielles. Ce travail de thèse a consisté à développer une démarche expérimentale et numérique permettant d'envisager un outil d'aide au dimensionnement des collages structuraux. Pour caractériser mécaniquement l'adhésif au sein d'un assemblage, un dispositif expérimental dérivé du système de M. ARCAN est employé. Celui-ci permet de faire varier la direction de chargement tout en conservant un état de contrainte relativement uniforme au sein du joint. S'appuyant sur les observations expérimentales, un modèle de comportement non linéaire basé sur un critère de Drucker-Prager généralisé est alors proposé. Un éclairage particulier sur la morphologie de la microstructure apporte des éléments concernant les mécanismes d'endommagement. Afin de surmonter les contraintes informatiques industrielles (raffinement du maillage, temps CPU, etc.), un outil numérique a été développé. Celui-ci est basé sur la version-p de la méthode des éléments finis qui permet de conserver des maillages « industriels » avec une description raisonnable des joints collés. Cet outil est apparu assez performant pour détecter les effets de bord sur des maillages grossiers. Ce travail constitue un premier pas vers une prédiction simplifiée de la tenue mécanique des collages structuraux.

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.

L'application industrielle (non développée pour des raisons de confidentialité) concerne un assemblage céramique/acier. Cette thèse s’inscrit dans un programme Européen et vise à développer un assemblage industriel fiable entre des substrats céramique et acier par le biais d’un adhésif structural. L’assemblage doit assurer une transmission des efforts sur une large gamme de température et malgré un environnement sévère. La méthodologie de travail a consisté à définir l’impact des paramètres des formulations d’adhésifs sur les propriétés initiales et la durabilité des assemblages. L’étude des paramètres que sont les motifs chimiques de la résine époxy, la nature du durcisseur et la présence de charges a permis de sélectionner les formulations à base de DGEBA (diglycidylether du bisphénol A) et Novolaque seules ou mélangées. La détermination de leurs propriétés a mis en évidence des comportements différents en termes de transition vitreuse, de temps de réticulation, de viscosité et d’adhérence. Les systèmes montrent des modifications chimiques irréversibles communes (IRTF) mais des comportements physiques différents (analyse thermomécanique, MEB, flexion, calorimétrie) ainsi que des modes de sorption différents (gravimétrie, TGA) en vieillissement. Les tests d’adhérence (couronne et flexion trois points) développés afin de caractériser la tenue des interfaces montrent une durabilité supérieure des systèmes mixtes en comparaison à la formulation DGEBA. Une étude par CND montre la conservation de l’intégrité de l’assemblage céramique/adhésif/acier en présence de facteurs à risque que sont les contraintes résiduelles, le vieillissement hygrothermique et le choc thermique. / The industrial application (under a confidential clause) concerns a ceramic/steel assembly. This PhD research take part in a European programme and is concerned with providing a reliable industrial bonding between ceramic and steel using structural adhesive.This assembly should ensure the total transmission of the efforts on a broad range of temperatures and in a hard life requirements. The methodology consists in the definition of formulations parameters impact on the initial properties and the durability of the assemblies. The study of the parameters which are the macromolecular chain of the epoxy resin, the nature of the hardener and filler addition have lead to the selection of formulations containing DGEBA (diglycidylether of the bisphenol A) and Novolaque alone or melted. The determination of their properties highlights different behaviors in terms of glassy transition temperature, curing process, viscosity and adherence. The characterization of the formulations during hydrothermal ageing shows common non reversible chemical modifications (IRTF) but different physical behaviors (thermomechanical analysis, SEM, flexion, calorimetry) and water sorption modes (Gravimetry, TGA). The adherence tests (crown test and three point flexure test) developed in order to characterize the interfaces behavior show higher durability of the melted systems comparing to the DGEBA formulation. A non destructive test study highlights the conservation ceramic/adhesive /steel assembly’s integrity submitted to harmful conditions as residual stresses, hydrothermal ageing and thermal shock.

L'accroissement des performances des équipements de Traction ferroviaire, reposait essentiellement jusqu'à maintenant, sur l'intégration des innovations dans le domaine des composants électriques et des matériaux diélectriques mais la standardisation de sous-ensembles réutilisables nous conduit à reconsidérer les assemblages structuraux des coffres de traction (convertisseurs de puissance). Ces coffres de traction sont assemblés actuellement avec des éléments de fixation mécanique (boulon, rivet), le but est donc d'améliorer la connaissance des comportements mécaniques de ces types d'assemblages à travers d'une étude expérimentale basée sur des essais statiques et dynamiques sur des joints boulonnés et rivetés. Ces essais nous ont permis de valider des modèles numériques par des éléments finis en utilisant les codes de calcul ABAQUS et ANSYS. La deuxième partie de la thèse concerne les assemblages par collage structural. Nous avons étudié la possibilité de remplacer les assemblages mécaniques classiques par l'assemblage par collage structural. La première phase de notre travail a été de recenser et sélectionner des adhésifs structuraux susceptibles de répondre à notre cahier de charge. Dans cette partie les travaux suivants ont été réalisés : - Etude des comportements des adhésifs en tant que matériau, ce qui a nécessité de réaliser des éprouvettes massiques. - Réalisation d'essais expérimentaux en statique et en dynamique sur des joints collés avec l'adhésif sélectionné. - Création des modèles numériques non linéaires en 3D sur ABAQUS pour les joints collés. - Etude hygrothermique accélérée afin d'étudier l'effet du vieillissement sur les assemblages collés en fonction de l'humidité et de la température. / Increased performance of railway traction equipment, until now relied primarily on the integration of innovations in the field of electrical and dielectric materials, but the standardization of subassemblies reusable us to reconsider the structural assemblies of the traction cubicles (power converters). These cubicles are assembled now with mechanical fasteners (bolts, rivets), the first goal is to improve knowledge of the mechanical behaviour of these types of joints through an experimental study based on statics and dynamics tests of bolted and riveted joints. These tests have allowed us to validate numerical models of finite elements by using the computer codes ABAQUS® and ANSYS®. The second part of the thesis deals with the structural adhesive joints. We studied the possibility of replacing conventional mechanical assembly structural bonding. The first phase of our work was to identify and select structural adhesives that could meet our specifications. In this section the following work has been made: - Study of thermo-mechanical behaviour of the adhesive with the bulk Adhesive Test Specimens. - Statics and dynamics test in the bonded joint. - Non-linear 3D finite elements models. - Hygrothermal accelerated to study the effect of aging on the adhesive according to the humidity and temperature.