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.

Cette thèse s'intéresse à l'évaluation de la qualité de l'adhésion dans des assemblages structuraux métal/adhésif/composite carbone-époxy, assemblages utilisés dans l'industrie automobile et aéronautique. La qualité du collage est évaluée par méthodes non destructives grâce à des ondes guidées ultrasonores de type Lamb et SH. Un nouveau modèle numérique par éléments finis a été développé au cours de ce travail : il s'agit d'un modèle rhéologique aux interphases qui permet de tracer les courbes de dispersion des modes guidés dans les échantillons étudiés. Il permet aussi de prédire l'évolution de l'amplitude de ces modes et la répartition de l'énergie dans la structure suivant le niveau d'adhésion ou la présence d'un défaut de type kissing bond. Des échantillons à niveau d'adhésion connus et maîtrisés sont réalisés avec l'aide de physico-chimistes, où l'époxy est partiellement ou totalement réticulé, et où l'interface substrat/adhésif a subi différents traitements chimiques. En particulier sont étudiés des échantillons dont la dégradation du collage dans la structure n'est pas symétrique. Les résultats expérimentaux sont confrontés à ceux issus du modèle numérique. Ces résultats montrent qu'il est possible de caractériser deux niveaux d'adhésion proches et aussi de déterminer sur quelle interface (métal/adhésif ou composite/adhésif) le collage a été dégradé. L'utilisation d'un banc de mesure à transducteurs électromagnétiques acoustiques (EMAT) a permis l'étude de l'amplitude des modes SH. Des variations importantes de l'amplitude de certains modes ont été constatées lors du passage de l'onde d'une zone de bonne adhésion à une zone où le collage est dégradé. / This thesis focuses on the evaluation of the quality of adhesion in metal/adhesive/carbon-epox: structural assemblies used in the automotive and aerospace industry. The quality of the bonding i assessed by non-destructive methods using ultrasonic guided waves of the Lamb and SH types. A nev finite element numerical model was developed during this work: it is an interphase rheological mode that allows the dispersion curves of the guided modes to be plotted in the samples studied. It als( makes it possible to predict the evolution of the amplitude of these modes and the distribution o energy in the structure according to the level of adhesion or the presence of a kissing bond type defect. Samples with known and controlled adhesion levels are made with the help of physico chemists, 'where the epoxy is partially or totally crosslinked, and where the substrate/adhesivl interface has undergone different chemical treatments. In particular, samples are studied whos degradation of the bonding in the structure is not symmetrical. The experimental results are compare( with those from the numerical model. These results show that it is possible to characterize two clos levels of adhesion and also to determine on which interface (metal/adhesive or composite/adhesive the bonding has been degraded. The use of a measurement bench with electromagnetic acousti( transducers (EMAT) allowed thè study of the amplitude of the SH modes. Significant variations in th( amplitude of some modes have been observed when the wave passes from an area of good adhesioi to an area where the bonding is degraded.

Cette thèse s’inscrit dans le contexte de l’ANR ISABEAU (Innovating for Structural Adhesive Bonding Evaluation and Analysis with Ultrasounds, associant des physico-chimistes et des acousticiens) et cherche à apporter des connaissances nouvelles sur l’évaluation par ultrasons du niveau d’adhésion d’un collage structural par ondes de Lamb. La première partie porte sur l’aspect cohésif et particulièrement sur l’influence du paramètre de réticulation de réseaux époxys sur les courbes de dispersion des ondes de Lamb. La deuxième partie est consacrée à la caractérisation de niveaux d’adhésion dans une structure bicouche Aluminium Epoxy en tenant compte aussi bien des aspects cohésifs qu’adhésifs. Des échantillons à niveau d’adhésion connus et maîtrisés sont réalisés avec l’aide de physico-chimistes, où l’époxy est partiellement ou totalement réticulé, et où l’interface substrat adhésif a subit différents traitements chimiques et/ou mécaniques. Les résultats expérimentaux sont confrontés à ceux issus du modèle rhéologique de Jones résolu par éléments finis. Enfin, la troisième partie porte sur l’étude d’un assemblage tricouche Aluminium/Epoxy/Aluminium et cherche à qualifier différents niveaux d’adhésion à l’aide du modèle de Jones par ondes guidées et également par l’étude des fréquences de coupure des modes verticaux de la structure. / This thesis is in the context of the ANR ISABEAU (Innovating for Structural Adhesive Bonding Evaluation and Analysis with Ultrasounds, with the association of physico-chemists and acousticians) and seeks to bring new knowledge of the ultrasonic evaluation of the level of adhesion of structural bonding using Lamb waves. The first part focuses on the cohesive aspect, in particular on the influence of the crosslinking parameter of the polymer on the Lamb waves dispersion curves. The second part is dedicated to the evaluation of the adhesion level of a bi-layer Aluminum Epoxy taking into account the both cohesive and adhesive aspects. Samples of controlled and known adhesion levels are manufactured with the help of physico-chemists, where the crosslinking of the epoxy is partial or total, and the interface substrate-adhesive have been treated chemically and/or mechanically. The experimental results are compared to those obtained from a predictive model based on the rheological model of Jones solved by finite elements method. Finally, the third part focuses on the study of tri-layers Aluminum/Epoxy/Aluminum, looking for the qualification of different levels of adhesion with the Jones model using guided waves as well as the cut-off frequencies of the structure.

La démontabilité des assemblages collés structuraux est une nouvelle problématique liée à l’augmentation de l’utilisation de la technologie du collage dans de nombreux secteurs industriels et de la prise en compte de l’éco-conception dans les processus industriels. Peu de travaux ont été menés à ce jour sur cette thématique qui représente un véritable verrou technologique pour la diffusion de la technologie d’assemblage par collage. Une des voies utilisées et détaillées dans la présente étude est basée sur l’incorporation, dans une formulation d’adhésif, d’un additif organique solide possédant un point de sublimation dans une gamme de température connue.Ainsi, l’étude de l’influence de la reformulation par incorporation de l’additif montre qu’en dépit de la réactivité entre cette molécule et certains composants de la formulation de l’adhésif, les propriétés de mise en œuvre et les caractéristiques thermo-mécaniques ne sont pas drastiquement modifiées et restent compatibles avec une utilisation industrielle.Le mécanisme de démontabilité est basé sur la diffusion du gaz libéré par la réaction de sublimation de l’additif jusqu’aux interfaces où les contraintes générées induisent une rupture interfaciale. Néanmoins, le désassemblage est grandement fonction de la nature de la surface des substrats assemblés. Une compétition a lieu entre le travail nécessaire pour faire croître les bulles à l’interface et le travail des forces d’adhésion.L’efficacité de ce procédé de démontabilité a été éprouvée dans le cadre de tests de validation des segments du tore d’un télescope. L’assemblage réalisé avec un adhésif incorporant un additif spécifique permet de transmettre d’importantes contraintes mécaniques puis après une phase d’activation, de se désassembler avec des contraintes résiduelles nulles / Structural adhesives are nowadays widely used in numerous industries like automotive, aerospace, avionics or microelectronics … for many reasons such as easy processing or weight and cost savings. A strong effort has been achieved so far to enhance the level of adherence in structural assemblies and in this particular case a new challenge appears: the easy dismantling of structural bonded joints. This innovative concept results from industrial constrains like maintenance or recycling needs.This work studies a process which offers a simple and efficient solution to the disassembling of structural bonds. Based on the use of specific additives activated by heating at a certain temperature, this new technology allows the drastic decrease of the bonding performance and allow the dismantling in a very short time. It fulfills the main characteristics required by this application, like no change in processing (implementation, curing conditions,…) and no or slight modification of the mechanical properties. The results of the influence of adding additive is evaluated.This process is based on the incorporation. of specific chemicals in the adhesive or primer formulations. These additives are selected according to specific properties like decomposition temperature. An innovative aspect of this technology lies in the localization of the dismantling. The first step of the additive action is migration from the bulk of the adhesive to the interface. In a second time, once at the interface, the decomposition gases generated by the additive (mainly steam and nitrogen) induce constrains and stresses. After a certain time, theses stresses are sufficient enough to overcome the adhesion forces and the adhesive debonds from the substrate, adhesive failure occurs. One logical consequence of this interfacial action is the use of a dismantling primer, which enables to improve the efficiency of the technology and allows additive savings.This work proposes mecanisms based on experimental results in order to explain what happens in the adhesive bulk and on the interfaces. Finally, an application of this process is described related to the use of debondable adhesive for structural coupling during ground tests in the frame of GAIA telescope. Its main structure is a multi segments brazed torus in silicon carbide. In order to test each segment, a structural and debondable epoxy adhesive was developed, allowing structural bonding at room temperature and easy dismantling with interfacial failure after thermal activation. After testing and dismantling, segments were reused for final application.

Ce travail porte sur l'étude des comportements en flexion à court et long termes des poutres hybrides collées constituées d'un profilé pultrudé GFRP et d'une dalle en béton, assemblés par un joint de colle époxy. L'utilisation du collage dans des structures réelles se heurte encore à la réticence des concepteurs en raison du manque de garanties sur la durabilité à long terme et de l'absence d'outils de modélisation donnant la durée de vie en service des assemblages collés. La présente étude constitue donc un jalon dans cette démarche de compréhension du comportement à long terme de ces structures collées. Elle s'appuie sur analyse multi-échelles qui permet d'aborder le problème à l'échelle locale de l'interface (essai pushout) et à l'échelle globale de l'élément de structure (essai de flexion sur des poutres). Des essais de vieillissement accéléré ont tout d'abord été conduits pour étudier les effets de l'humidité et de la température sur l'adhésif seul et sur l'assemblage structural et il en ressort que l'eau, et notamment une immersion prolongée, s'avère particulièrement néfaste à la résistance au cisaillement des éprouvettes et modifie leur mode de ruine. La réponse instantanée de l'assemblage pultrudé-béton a ensuite été plus amplement étudiée. Grâce à une étude paramétrique expérimentale, une géométrie et une méthode de fabrication des éprouvettes ont été définies pour assurer la reproductibilité des résultats et limiter leur dispersion. De plus, un modèle numérique 3D a été développé dans le code d'éléments finis Cast3m et montre une distribution de contraintes, notamment de cisaillement, non uniforme le long de la surface de collage avec une concentration aux extrémités du joint. Une analyse paramétrique numérique a permis d'identifier les dimensions des dallettes et du joint de colle comme des paramètres influents sur la résistance des éprouvettes. Enfin, le comportement en fluage d'une poutre hybride est étudié. Sous l'effet d'un vieillissement naturel, seul, le joint d'adhésif ne s'avère pas impacté. Des essais de fluage en flexion 3-points ont été effectués pour étudier les réponses à long terme du profilé seul et de la poutre hybride. Ils montrent une augmentation considérable du déplacement des poutres en raison du fluage et du retrait du béton et du fluage du profilé. Des modèles 3D en variables locales, dans le cadre de la viscoélasticité linéaire, sont développés dans Cast3m et permettent de fidèlement restituer l'évolution des déplacements et des états de déformation au cours du temps pour les différentes poutres testée / This dissertation focuses on the short- and long-term responses of bonded hybrid beams consisting of a GFRP-pultruded profile bonded by an epoxy adhesive joint to a reinforced concrete-slab. The problems related to the durability and the long-term response of these structures still represent an open issue. The present study is meant to increase the knowledge and understanding of these hybrid structures in this context. Firstly, different accelerated ageing tests were carried out to evaluate the effects of some environmental agents such as water, moisture and freeze thaw cycles in the behaviour of GFRP/concrete bonded assemblies. Mechanical characterizations were carried out on control and exposed of both materials and push-out specimens to quantify the degradation and damage of the mechanical resistance of each material and of the adhesive bond properties. The water effect on the adhesion of the joints was found to be significant, especially at longer immersion times. The second part was directed at characterizing the push-out test. An experimental parametric study was performed to elaborate a methodology of fabrication of the push-out specimens that can reduce the dispersion of results and give an accurate prediction of the shear strength on a limited set of specimens. Also, a 3D finite-element model was developed using the finite-element code Cast3m. This model showed that the stress components, especially peel and shear stresses, are not constants across the bonding area and peaking near the free edges (stress concentrations). A numerical parametric study allowed to conclude that the most effective geometrical parameters influencing bond between GFRP and concrete were the bonded length and the dimensions of the concrete substrate. Last part deals with experimental and numerical investigations carried out to study the short- and long-term flexural behaviour of full-scale hybrid beams. All experiments showed considerable increase in beam deflection over time due to concrete creep and shrinkage and GFRP creep. Finally, 3D-finite-element models, realized with Cast3m, are developed based on the incremental formulation of the linear-viscoelasticity theory. The proposed models allow evaluation of the long-term deflection of the pultruded and hybrid beams. Using the proposed model, evolution with time of stresses, strains and displacements in different location of the hybrid beam are obtained

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.