Le patrimoine ferroviaire français comporte de nombreux ponts métalliques, principalement construits au cours de la seconde moitié du XIXème siècle. Ces ouvrages d'art sont donc en service depuis plus d’un siècle et nécessitent une politique de maintenance adaptée. En collaboration avec SNCF Réseau, cette thèse de doctorat apporte des éléments de compréhension sur le comportement mécanique des assemblages rivetés à chaud sous sollicitations monotones et cycliques. Une stratégie expérimentale a été mise en oeuvre afin d'identifier les mécanismes de ruine des assemblages rivetés. Dans un premier temps, le matériau objet de cette étude, un fer puddlé, a été extrait d'éléments provenant du pont sur l'Adour à Bayonne (1864-2013). Ce matériau a été notamment caractérisé sous chargements monotones et cycliques ; sa fragilité, son anisotropie et son comportement dispersif ont été mis en évidence et analysés. Des outils numériques ont été développés pour l’étude microscopique de cette famille de matériaux. Des éprouvettes rivetées de type détail constructif ont par la suite été conçues, fabriquées et testées sous chargements monotones et cycliques. Un scénario précis du fonctionnement et de ruine d'un assemblage mono-rivet en double recouvrement a pu être identifié. Pour cela, les influences des caractéristiques matériau, des concentrations de contraintes, du cisaillement du rivet et de l'effort de serrage ont été étudiées. Les résultats de ce travail, comparés à ceux de la littérature et aux standards de dimensionnement des structures métalliques, montrent la complémentarité d'une étude à plusieurs échelles (comportement matériau et étude locale du fonctionnement des assemblages) dans le but de comprendre et estimer le comportement des structures rivetées anciennes. / Numerous metallic bridges can be found in the French railway heritage. Since a majority of these structures was built during the second half of the 19th century, they have been in service for over a hundred years and need an adapted maintenance policy.These doctoral thesis, done in collaboration with SNCF Réseau, improves the understanding of the mechanical behaviour of hot riveted assemblies under monotonic and cyclic loadings. An experimental strategy was proposed and carried out in order to identify the failure mechanisms of riveted assemblies. First, the studied material, a puddled iron, was obtained from recovered elements from the bridge over the Adour river in Bayonne (1864-2013). Mechanical testing and characterisation was performed under monotonic and cyclic loadings. Puddled iron’s brittle, anisotropic and scattered behaviour was observed and analysed. In-house software applications were developed in order to study this kind of material. Additionally, hot riveted specimens (constructional details) were designed, manufactured and tested under monotonic and cyclic loadings. A precise working (and failure) scenario of the double shear mono-rivet assembly was identified. The influence of the material’s behaviour, stress concentrators, shearing of the rivet and clamping force of the rivet were studied. The results obtained during these research works, compared to the ones found in academic literature as well as construction norms for metallic structures, showed the importance and complementarity of a multi-scale approach (material behaviour and local study of assemblies) in order to understand and assess the behaviour of ancient riveted structures.

Ces travaux de thèse portent sur la question de l'assemblage multi-matériaux polymère-acier. Dans un environnement automobile grande série, le rivetage auto-poinçonneur est le procédé d'assemblage proposé qui permet de répondre à la problématique industrielle. Dans un premier temps, la faisabilité de la technique i été étudiée en recherchant l'influence de la vitesse de rivetage et de l'effort serre-flan sur les caractéristiques géométriques du joint riveté et sur la tenue mécanique. Ainsi, il se révèle que l'augmentation de la vitesse de rivetage a un effet favorable: l'effort à la rupture en traction pure augmente de +10% en accord avec l'augmentation de l'ancrage mécanique. Par contre, l'augmentation de l'effort serre-flan a un effet défavorable : l'effort à la rupture en traction pure et en traction-cisaillement diminue de -6.6%. Par la suite, un modèle numérique 2D axisymétrique a été mis au point dans le but de simuler l'opération de rivetage. Les propriétés mécaniques effectives du matériau composite sont estimées par une méthode d'homogénéisation tandis que le comportement mécanique du matériau acier par un modèle élasto-plastique endommageable. Comparée à la coupe transversale issue d'un essai expérimental, la simulation effectuée sous Abaqus 6.10- 1® démontre être capable de correctement prédire la déformée en particulier pour la valeur d'ancrage mécanique. Enfin, un modèle numérique 30 a été développé et permet de simuler des chargements destructifs et asymétriques. L'effort à rupture et les déformées macroscopiques estimées sont en bon accord avec les résultats expérimentaux, grâce notamment à la prise en compte de l'endommagement local de la couche composite. / This thesis work is dealing with the issue of multi-material polymer-steel joining. Within a large-scale automotive environment, self-piercing riveting is the proposed joining technique to tackle the industrial challenge. Firstly, the feasibility of the technique is studied by investigating the influence of the riveting velocity and the sheet holder load on the geometrical characteristics of the riveted joint and the mechanical strength. Thus, it turns out that the increase in riveting velocity has a favorable effect: the joint strength in pure tension mode increases by +10% in agreement with the increase in mechanical anchoring. However, the increase of the sheet holder load has an unfavorable effect: the joint strength in cross tension and in shear modes decreases by -6.6%. Subsequently, an axisymmetrical 20 numerical model has been created enabling the simulation of the riveting operation. The effective mechanical properties of the composite material are estimated by a homogenization method while the mechanical behavior of the steel material is managed through an elastic-plastic model with damage. Compared with a cross section resulting from an experimental test, the simulation carried out under Abaqus 6.10-1® demonstrates being able to correctly predict the deformations, the anchoring value more particularly. Finally, a 30 numerical model has been developed and allows the simulation of destructive and asymmetrical loadings. The joint strength and the macroscopic deformations estimated are in good agreement with the experimental results, especially when taking into account the local damage of the composite laver.

Die Mischbauweise stellt eine Möglichkeit dar, insbesondere im Automobilbau, aber auch in anderen Industriezweigen Leichtbau zu betreiben. Dazu werden verschiedenartige Werkstoffe miteinander kombiniert. Vorzugsweise handelt es sich um Kombinationen aus faserverstärkten Kunststoffen und Leichtmetallen. Nach dem Motto “Der richtige Werkstoff am richtigen Ort” können so belastbare und gleichzeitig leichte Konstruktionen realisiert werden. Eine große Herausforderung besteht dabei jedoch im Fügen solch unterschiedlicher Werkstoffe. Aufgrund großer Unterschiede in Bindungsart und Schmelztemperatur sind klassische Fügeverfahren nicht anwendbar. Zum Verbinden von Metallen mit Faser- Verbund-Werkstoffen (FKV) wurden deswegen vorhandene Technologien adaptiert oder neue entwickelt. Im Rahmen dieser Dissertation wurde mit dem modifizierten Blindnieten ein neuer Lösungsansatz entwickelt, der sowohl mechanische als auch thermische Fügeverfahren miteinander kombiniert. Dazu wird ein rotierender Blindniet in sich überlappende Bleche getrieben und das darunter liegende Material unter Ausbildung einer Hülse aus dem Oberblech verdrängt. Anschließend wird der Niet ausgeformt und der Prozess ist abgeschlossen. Durch die Reibwärme wird die thermoplastische Matrix des FKV geschmolzen und die Fasern werden beweglich und können verdrängt werden. Dadurch kommt es zu einer geringeren Faserschädigungen und es können Delaminationen komplett vermieden werden. Untersuchungen wurden vorzugsweise an Materialkombinationen in Mischbauweise durchgeführt. Es wurden Aluminium- und Magnesiumbleche mit verschiedenen FKV mit Glas- oder Kohlefaserverstärkung gefügt. Für eine große Anwendungsbreite wurden ebenso Verbindungen von mehreren Metallblechen untersucht. Alle Kombinationen konnten so gefügt werden, dass in relativ kurzer Prozesszeit eine qualitativ hochwertige Verbindung entsteht. Mit einer geeigneten Parameterwahl sind Fügezeiten unter drei Sekunden möglich. Die mechanisch technologischen Gütewerten zeigen, dass mittels modifiziertem Blindnieten hergestellte Verbindungen mindestens die gleiche Lasten aufnehmen können, wie konventionelle Verfahren. Unter Scherbelastung kann die Belastbarkeit um bis zu 68 % gesteigert werden. Es hat sich gezeigt, dass mit dem neuen Verfahren eine wirtschaftliche Lösung für den Mischbau zur Verfügung steht. / Composite constructions provide an opportunity to introduce lightweight design in automotive and other industries. Therefore different kind of materials are combined. Preferably, these are combinations of fibre reinforced plastics and lightweight metal alloys. With the slogan 'the right material at the right place' tough and lightweight constructions can be realized. A big challenge the joining of these different materials. Because of big differences in the chemical bindings and in the melting temperature, conventional joining methods cannot be used. To join fibre reinforced plastics (FRP) existing processes were adapted or newly developed. In the course of this work with the modified blind riveting a new approach was developed, which combines mechanical and thermal joining processes. Therefore a rotating blind rivet is penetrated through two overlapping sheets by deforming the sheet material. After that the rivet is set and the process finished. Because of the friction heat the thermoplastic matrix of the FRP is slightly melted and the fibres can be moved without breaking them. Investigations were done mainly with lightweight material combinations. Sheets made out of aluminum and magnesium were joined with glass or carbon fibre reinforced plastic sheets. For a wider application field also combinations of two metal sheets were investigated. All combinations could be joined in a relatively short cycle time and high quality. So it is possible to reach a joining time of under 3 seconds. Under shear load the strength of joints made by modified blind riveting can be up to 68 % higher than conventional riveted joints. It has been shown that the new process can be exploited economically.

[pt] A indústria de transporte tem enfrentado rigorosas políticas econômicas e ambientais para a redução do consumo de combustível e consequentemente redução na emissão de CO2. Uma solução promissora para suprir tais exigências encontra-se na redução do peso da estrutura de carros e aviões através do uso de estruturas híbridas. Técnicas de união convencionais geralmente são inadequadas para produzir juntas híbridas de metal e polímero. Sendo assim, tecnologias de junção inovadoras estão sendo desenvolvidas para surprir tais limitações, como por exemplo: União pontual por fricção (FSpJ), rebitagem por fricção (FricRiveting) e união por energia ultra-sônica (U-Joining). Esta dissertação de mestrado foi desenvolvida para avaliar juntas híbridas produzidas com baixo (BAE) e alto aporte energético (AAE). O monitoramento da temperatura, a análise microestrutural, a resistência mecânica e os respectivos modos de falhas das juntas foram avaliados para as três técnicas de fricção. Neste contexto, técnicas de microscopia, microtomografia de raio-x e ensaios de resistência mecânica foram escolhidas para tal finalidade. Juntas de AAE produzidas por união pontual de fricção apresentaram 43 porcento maior resitência mecânica comparado com juntas de BAE e ambas falharam no centro da área de junção. Juntas de AAE produzidas por rebitagem apresentaram 46 porcento maior resitência mecânica e falha do rebite metálico fora da placa polimérica, comparado com juntas de BAE que teve o rebite metálico arrancado da placa polimérica. A resitência ao cisalhamento das juntas de AAE (fratura da placa polimérica) produzidas por energia ultra-sônica foi 85 porcento maior que as juntas de BAE (fratura dos pinos combinado com falhas coesivas e adesivas). / [en] The transportation industry has been facing stringent environmental regulations to decrease fuel consumption and CO2 emissions. A promising solution to fulfill these demands is decreasing the structural weight of vehicles and airplanes by combining lightweight alloys and fiber-reinforced polymers in hybrid structures. Conventional joining technologies are usually inadequate to produce high performance joints. To overcome these limitations, advanced joining technologies are under development such as: Friction Spot Joining (FSpJ), Friction Riveting (FricRiveting) and Ultrasonic Joining (U-Joining). This master dissertation was devised to evaluate FSp, FricRiveting and U-Joining joints produced with different heat input levels (low and high) in terms of process temperature development, microstructural features, quasi-static mechanical performance and the respective failure mechanisms. In this context, microscopy techniques (i.e. optical, confocal laser and scanning electron), X-Ray micro-computed tomography (microCT), lap shear and T-Pull testing were chosen for this purpose. FSp joints produced under HHI joining condition achieved an ultimate lap shear force (ULSF) 43 percent higher than LHI joints, whereas HEI joints produced by FricRiveting process achieved ultimate tensile force (UTF) 46 percent higher than LEI joints. The lap shear strength of ultrasonically joined joints produced under HEI joining condition was up to 85 percent higher than LEI joints. FSp joints failured in the center of the overlap area while friction-riveted joints failured through the rivet (HEI) and full rivet pull-out (LEI). Ultrasonically joined joints failured through the polymer (HEI), whereas LEI joints failured through a combination of shearing of the metallic pins and a mixed cohesive (CF) and adhesive (AF) failure.

The research in this report seeks to develop a highly flexible geometry station for joining futureBody-in-White (BiW) assemblies. The goal is to eliminate the need for a complete reconstructionof a production line during integration of new car bodies in a contemporary production.Today's BiW production is performed in sequential lines, where joining equipment is arranged ina specific order for each model geometry. An increasing model portfolio forces manufacturers todevelop production systems that allow an integration of new models. Electrified alternatives ofexisting models are now developed and put into production. These models have similarappearance as conventional models, but with a completely different principle of driveline due tothe propulsion. This means that new interfaces and platforms have to be developed and mustnow be integrated into a current production. Today's production lines are not prepared forcoming changes, and current stations can only handle a limited number of variants. Integration ofnew geometries into a contemporary production line is not sufficiently efficient from aproduction perspective. The goal of the future is to make such an integration possible.Initially, current and future production scenarios were studied. Based on this, four types ofproduction scenarios, which a highly flexible geometry station can be integrated into, were set up.An integration can take place in different ways depending on how a highly flexible geometrystation is compounded, therefore, different cases were created and compared in a case study.Internal and external benchmarking of production systems were made to compare the availablesolutions for increasing stations flexibility in a BiW production.As reference for the project, a concept for a highly flexible geometry station has been developedand is therefore described initially before an additional depth has been realized. The furtherconceptualization of a highly flexible geometry in this report is presented in the form of amorphological composition of technologies that can increase a station's flexibility, as well asvisualization of a station principles through layouts and cycle time charts. The result of theanalysis generated several concepts that hold different degrees of capacity, footprint andflexibility. The focus was to achieve a high level of flexibility for integration of new models, withnew geometries, in a current production. The conclusion was that the highly flexible geometrystation can, in a contemporary production, produce independently in low volumes. Alternatively,produce higher volumes when it is integrated as a complement in a novel, not yet implemented,production concept. / Forskningen i denna rapport syftar till att utveckla en högflexibel geometristation för fogning avkommande Body-in-White-karosser (BiW). Målet är att eliminera behovet av en fullständigrekonstruktion av en produktionslinje under integrering av nya bilar i en samtida produktion.Dagens BiW-produktion sker i sekventiella liner, där fogningsutrustning är arrangerad i enspecifik ordning för respektive modellgeometri. Ett ökande antal modellalternativ drivertillverkare till att utveckla produktionskoncept som möjliggör integration av nya modeller.Elektrificerande alternativ till befintliga modeller utvecklas kontinuerligt. Dessa modeller ärutseendemässigt lika de konventionella modellerna, men med en helt annan princip för drivlina.Det innebär att nya gränssnitt och plattformar har tagits fram och måste nu integreras i ennuvarande produktion. Dagens produktionslinjer är inte förberedda för kommande förändringaroch nuvarande geometristationer kan endast hantera ett begränsat antal karosstyper. Integrationav nya karosstyper i en befintlig produktionslinje är inte är tillräckligt effektivt ur ettproduktionsperspektiv. Framtidens mål är att göra en sådan integration möjlig.Inledningsvis studerades nuvarande- och kommande produktionsscenarion. Utifrån det beskrevsfyra produktionstyper, vilket en högflexibel geometristation kan komma att integreras i. Enintegration kan ske på olika vis beroende på hur en högflexibel geometristation tillämpas, därförjämfördes olika fall av det i en Case-studie. En intern och extern benchmarking avproduktionssystem gjordes för att jämföra de lösningar som finns för att öka flexibiliteten i enBiW-produktion.Som referensunderlag till projektet har ett koncept för en högflexibel geometristation tagits framoch är beskrivet inledningsvis innan en ytterligare fördjupning har realiserats.Konceptualiseringen av en högflexibel geometristation i denna rapport är presenterad i form aven morfologisk sammansättning av teknologier som kan öka en stations flexibilitet, samtvisualisering av en principiell station genom layouter och cykeltidsdiagram. Resultatet av analysengenererade flera koncept som innehar olika grad av kapacitet, fabriksyta och flexibilitet. Fokus varatt uppnå en hög flexibilitetsnivå för integration av nya modeller, med nya geometrier, i ennuvarande produktion. Slutsatsen var att den högflexibla geometristationen kan, i en nutidaproduktion, producera självständigt i låga volymer. Alternativt producera högre volymer då denintegreras som ett komplement till ett ännu inte implementerat nytt produktionskoncept. / Die Forschung in diesem Bericht zielt darauf ab, eine hochflexible Geometrie-Station für das Fügen zukünftiger Rohbau-Baugruppen zu entwickeln. Das Ziel ist es, die Notwendigkeit einer vollständigen Rekonstruktion einer Produktionslinie während der Integration neuer Karosserien in einer modernen Produktion zu beseitigen. Die heutige Rohbau Produktion wird in sequenziellen Linien durchgeführt, wobei die einzelnen Fügeverfahren in einer bestimmten Reihenfolge, angepasst an die jeweilige Modellgeometrie, angeordnet sind. Ein zunehmendes Modellportfolio zwingt die Automobilhersteller zur Entwicklung von Produktionssystemen, die eine Integration neuer Modelle ermöglichen. Elektrifizierte Varianten bestehender Fahrzeugmodelle werden nun entwickelt und in Produktion gebracht. Diese Modelle haben ein ähnliches Erscheinungsbild wie herkömmliche Modelle, jedoch mit einem stark veränderten Antriebskonzept. Dies bedeutet, dass neue Schnittstellen und Plattformen entwickelt wurden und nun in eine aktuelle Produktion integriert werden müssen. Heutige Produktionslinien sind nicht auf kommende Änderungen vorbereitet und können nur eine begrenzte Anzahl von Varianten handhaben. Die Integration neuer Geometrien in eine moderne Produktionslinie ist aus Produktionssicht nicht effizient, aber soll in Zukunft das Ziel sein. Zunächst wurden aktuelle und zukünftige Produktionsszenarien untersucht. Darauf aufbauend wurden vier Arten von Produktionsszenarien erarbeitet, in die eine hochflexible Geometriestation integriert werden kann. Je nach Aufbau der Geostation kann eine Integration auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Daher wurden in einer Fallstudie unterschiedliche Fälle erstellt und verglichen. Ein Benchmarking mit internen und externen Produktionssystemen wurde durchgeführt, um eine größtmöglichste Flexibilität der Stationen in einer Rohbau Produktion zu erzielen. Als Referenz für das Projekt wurde ein Konzept für eine hochflexible Geometriestation entwickelt und im Rahmen der Thesis dokumentiert, bevor eine zusätzliche Tiefe realisiert wurde. Die weitere Konzeptionierung einer hochflexiblen Geometrie-Station wird in Form einer morphologischen Zusammensetzung von Technologien präsentiert. Dieser kann die Flexibilität einer Station erhöhen und zudem die Visualisierung von Stationsprinzipien, beispielsweise durch Layouts oder Zykluszeitdiagramme, fördern. Das Ergebnis der Analyse erzeugte mehrere vi Konzepte, die unterschiedliche Grade an Kapazität, Grundfläche und Flexibilität beinhalteten. Der Fokus lag auf einer hohen Flexibilität bei der Integration neuer Modelle mit neuen Geometrien in einer aktuellen Produktion. Die Schlussfolgerung war, dass die hochflexible Geometriestation in einer zeitgemäßen Produktion in kleinen Stückzahlen produzieren kann. Alternativ ist die Geo-Station auch als Bestandteil eines noch umzusetzenden Produktionskonzepts integrierbar.

Friction bit joining (FBJ) is a new solid-state spot joining technology developed in cooperation between Brigham Young University of Provo Utah, and MegaStir Technologies of West Bountiful Utah. Although capable of joining several different material combinations, this research focuses on the application of FBJ to joining 5754 aluminum to DP 980 steel, two alloys commonly used in automotive applications. The thicknesses of the materials used were 0.070 inches (1.78 mm) and 0.065 inches (1.65 mm), respectively. The FBJ process employs a consumable 4140 steel bit and is carried out on a purpose built research machine. In the first stage of the weld cycle the bit is used to drill through the aluminum top sheet to be joined. After this, spindle speed is increased so that the bit tip effectively forms a friction weld to the steel bottom sheet. Momentary stoppage of the spindle facilitates weld cooling before the spindle is restarted, shearing the bit tip from the bit shank, and retracted. Incorporated into the bit tip geometry is a flange that securely holds the aluminum in place after joint formation is complete. This research consists of several developmental steps since the technology only recently began to be formally studied. Initial joint strengths observed in lapshear tensile testing averaged only 978.5 pounds (4.35 kN), with a relatively high standard deviation for the data set. Final lapshear tensile test results were improved to an average of 1421.8 pounds (6.32 kN), with a significantly lower, and acceptable, standard deviation for the data set. Similar improvements were realized during the development work in cross tension tensile test results, as average strengths increased from 255.8 pounds (1.14 kN) to 566.3 pounds (2.52 kN). Improvements were also observed in the standard deviation values of cross tension data sets from initial evaluation to the final data set presented in this work.