Afin de développer un protocole d’essai standardisé et des outils analytiques facilitant la conception de réparations collées en biseau pour des structures composites aéronautiques primaires, le présent mémoire se concentre sur la caractérisation et la modélisation des performances de joints collés en composite de type lisse-escalier soumis à un effort de traction uni-axiale. Dans un premier temps, deux matériaux composites tissés, une toile (PW) et un satin (8-HS) pré-imprégnés de type plastique à renfort de fibre de carbone ont été testés en traction uni-axiale à température ambiante sec (TAS) et à température élevée sec (TES). Les données issues de cette caractérisation ont permis la modélisation numérique des réparations. Dans un deuxième temps, des réparations de type lisse-escalier ont été fabriquées sur des stratifiés en utilisant les matériaux composites PW et 8-HS en suivant la même séquence de plis quasi-isotrope ([+45°/0°/-45°/90°]2s) pour le parent et pour la réparation. Le film adhésif utilisé est le Cytec FM300-2M. L’effet des conditions environnementales et de l’angle de biseau (3°, 5.5° et 7.5°) sur les performances des réparations a été étudié. Les résultats des essais de traction ont révélé que l’angle de biseau a un impact significatif sur le mode de rupture de la structure réparée. Alors que la rupture s’est produite dans le composite pour les réparations avec un angle de biseau de 3°, une rupture en cisaillement de type cohésive a été observée pour les réparations pour les biseaux à 5.5° et 7.5°. Ce changement de mode de rupture a été retrouvé pour les deux conditions environnementales (TAS et TES). Comparativement au stratifié intact, une baisse non-significative de la rigidité a été notée pour tous les angles de biseau. Toutefois, l’augmentation de l’angle de biseau a conduit à une baisse significative de la restitution de la contrainte à la rupture comparativement à celle du stratifié d’origine, indiquant l’importance de l’angle de biseau sur l’intégrité de la structure des réparations adhésives de type lisse-escalier. Les essais de tractions à TES suggèrent qu’il n’y a qu’une très faible diminution de la rigidité et de la contrainte à la rupture pour les réparations à TES comparativement à TAS. Finalement, des analyses par éléments finis 2D dans l’épaisseur ont été conduites en utilisant ABAQUS Standard et Explicit. Une analyse élastique a tout d’abord été menée afin de prédire les distributions des contraintes de pelage et de cisaillement normalisées au milieu de l’adhésif, le long de la ligne adhésive, pour trois différentes configurations géométriques de jointure (lisse-lisse, lisse-escalier, escalier-escalier). Contrairement aux distributions de contraintes uniformes observées le long de la ligne adhésive de la configuration lisse-lisse, de forts et fréquents pics de contraintes de pelage et de cisaillement ont été observés pour les deux autres configurations. Ces observations ont mené à conclure que la modélisation d’un joint de réparation collé en biseau doit être conduite avec précaution. Émettre l’hypothèse que la surface adhésive du stratifié patch est lisse (i.e.: configuration lisse-lisse) alors qu’elle est en fait de type lisse-escalier implique de ne pas prendre en compte les pics de contraintes causés par les irrégularités géométriques de la surface adhésive du stratifié. Cela peut mener à la surestimation de la contrainte à la rupture de la réparation. Pour finir, une analyse élastique-plastique a été conduite en utilisant les modèles de plasticité et d’endommagement par cisaillement déjà implémentés dans ABAQUS. Ces modèles de plasticité et d’endommagement ont été utilisés pour le film adhésif seulement. Le matériau composite a été supposé linéaire élastique jusqu’à la rupture. Le critère des déformations maximales a été utilisé pour prédire la rupture du premier pli dans le composite. Les prédictions obtenues avec le modèle et les résultats expérimentaux ont montré de très bonnes corrélations. / This master’s degree thesis focuses on testing and modeling the bonded scarf-stepped composite joint performance under uniaxial tensile loading as part of the effort to develop testing protocols and analytical tools for the design of scarf bonded repair for primary aeronautical composite structures. First, plain weave (PW) and 8-harness satin (8-HS) carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) pre-preg composite materials were tested under uniaxial tensile loading at room temperature dry (RTD) and elevated temperature dry (ETD) conditions. The gathered characterization data was later used for the numerical modeling of the repairs. Furthermore, smoothed parent laminate bonding surface and stepped patch laminate bonding surface (scarf-stepped repairs were performed using both PW and 8-HS composite materials with matching quasi-isotropic ([+45°/0°/-45°/90°]2s) ply stacking sequence between the parent and the patch. The adhesive film that was used is the Cytec FM300-2M. The effects of environmental conditions and the influence of the scarf angle (i.e. 3˚, 5.5° and 7.5˚) on the performance of the bonded repairs were investigated. The tensile test results revealed that the scarf angle has a significant impact on the failure mode of the repaired composite part. While substrate failure occurred with a 3˚ scarf angle, cohesive shear failure was observed for the 5.5° and 7.5˚ angles. This change in failure mode is consistent both at RTD and ETD. When compared with the pristine laminate, an insignificant drop in stiffness was found regardless of the scarf angle. Although, increasing the scarf angle led to a significant drop in strength restitution in comparison with the pristine laminate. This indicates the importance of the scarf angle on the structural integrity of a scarf-step bonded repair. The tensile test results in ETD conditions suggest a slight decrease in stiffness and strength for both materials at ETD. Eventually, 2D through-thickness finiteelement analyses were also conducted using both ABAQUS Standard and Explicit. An elastic analysis was first performed to predict the distribution of normalized shear and peel stresses in the middle of the adhesive along the bondline for three different joint geometries (scarf-scarf, scarf-step and step-step). As opposed to the uniform stress distributions found along the bondline of the scarf-scarf configuration, high and frequent peaks of peal and shear stresses were found for both scarf-step and step-step configurations. These observations led to the conclusion that one must be particularly cautious when modeling a scarf joint bonded repair. Assuming that the patch laminate bonding surface is smoothed (i.e., scarf-scarf configuration) while it is actually stepped (i.e., scarf-step configuration) can lead to overestimating the overall repair strength since the high stress peaks caused by the geometric irregularities of the stepped patch laminate bonding surface would then be ignored. Furthermore, an elastic-plastic analysis was conducted using the already implemented plasticity and shear damage models in ABAQUS. These plasticity and damage models were used for the adhesive film only. The composite material was supposed to behave linear-elastically up to failure. The maximum strain criterion was used to predict the first ply failure in the composite. The predictions obtained with the model correlated very well with the experimental results.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/31585 |
| Date | 09 October 2018 |
| Creators | Khechen, Aris |
| Contributors | Dano, Marie-Laure |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | mémoire de maîtrise, COAR1_1::Texte::Thèse::Mémoire de maîtrise |
| Format | 1 ressource en ligne (xi, 84 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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