En service, les pièces aéronautiques en matériaux composites et structures sandwiches subissent des dommages qui nécessitent des réparations. Les réparations par patch interne en biseau, en escalier ou par combinaison des deux offrent une excellente restauration de la résistance mécanique pour ces structures composites. Cependant, l’environnement de réparation peut se révéler être un défi de taille quant à leur mise en œuvre, au choix des paramètres géométriques (angle de biseau, nombre de plis extra), à leur comportement mécanique sous différents chargements ainsi qu’à leur processus d’endommagement. Cette thèse présente une étude expérimentale et numérique (éléments finis) du comportement mécanique de réparations par patch interne effectuées sur des structures avec des peaux en composites à renforts tissés fabriquées hors autoclave et âme en Nomex en nid d’abeille. Afin de déterminer l’effet de différents paramètres géométriques sur la résistance de la réparation et de comprendre son comportement mécaniqueet son processus d’endommagement, une série de tests de caractérisation sous différents chargements (traction, compression, flexion) a été effectuée sur des structures sandwiches faite avec deux matériaux composites tissés pour la peau : soit du composite tissé taffetas (PW) ou satin de 8 (8HS) Des simulations numériques ont été effectuées afin de prédire le comportement mécanique de la réparation. Cette étude numérique a été effectuée en plusieurs étapes. Un premier modèle 2D qui suppose que la colle ait un comportement linéaire élastique a été développé et permet d’étudier la distribution des contraintes dans le joint de colle pour différentes configurations de réparation rectangulaire. Ensuite, le modèle 2D est modifié pour tenir compte du comportement élastoplastique de la colle et ceci permet de prédire le comportement mécanique d’une réparation rectangulaire jusqu’à la rupture. Par la suite, un modèle 3D est développé pour prédire le comportement de réparations circulaires sous des chargements de compression. Ce modèle tient compte de l’endommagement progressif des peaux en composite. Les résultats de ces simulations numériques sont comparés par la suite aux mesures expérimentales. Les modèles par éléments finis, avec une loi de comportement élastoplastique pour le joint de colle, permettent une estimation adéquate de la résistance ainsi que de l’endommagement des structures sandwiches réparées. Une étude paramétrique a eu lieu afin d’étudier l’effet de différents paramètres géométriques sur la résistance de la réparation. La mise en œuvre et la détermination de la performance mécanique des réparations par patch interne des structures sandwiches est une tâche complexe avec de multiples paramètres de matériaux et de procédés. D’une manière générale, cette thèse contribue à une meilleure compréhension du comportement mécanique des structures sandwiches réparées et de leur processus d’endommagement. Les modèles par éléments finis développés dans ces travaux ont été validés expérimentalement et des simulations paramétriques ont contribué à une meilleure compréhension de l’influence des différents paramètres géométriques sur la résistance de la réparation par patch interne. / In service, aeronautical components made of composite materials and sandwich structures are subject to type of damages that require repairs. Adhesively bonded repairs (scarf-scarf, step-step or scarf-step) offer an excellent mechanical strength recovery for these composite structures. However, the repair environment can be a significant challenge in terms of the choice of geometrical parameters (scarf angle, addition of an overply), damage process parameters and mechanical behavior under different loads.This thesis presents both experimental and numerical investigations of the mechanical behavior of internal patch repairs carried-out on Nomex honeycomb composite sandwich structures. The skins use an out-of-autoclave woven fabric made of carbon-epoxy composite materials. In order to determine the effect of different geometric parameters on the resistance of the internal patch repair and to better understand its mechanical behavior and damage processes, a series of mechanical tests under different loads (tensile, compression, bending) is conducted on the repaired sandwich panels made with either plain weave or 8 harness satin textile composites. Numerical simulations were carried out, in several stages, in order to determine the mechanical behavior of the repair. First, a 2D model that assumes a linear elastic behavior of the adhesive film was developed. This simple model allows to study the distribution of the stresses in the adhesive joint for different configurations of rectangular patch repair. Then, the 2D model is modified in order to account for the elastoplastic behavior of the adhesive film. The latter allows to predict the mechanical behavior of a rectangular internal patch repair until rupture. Subsequently, a 3D model is developed to predict the mechanical behavior of circular internal patch repairs under compressive loadings. This model takes into account the progressive damage and failure of the woven fabric skins. The results of these numerical simulations are validated by comparing them to experimental measurements. The finite element models that account for the elastoplastic behavior law for the adhesive joint allow predictions of the strength as well as the damage morphology of the repaired sandwich structures. A parametric study has also been conducted in order to determine the influence of the geometrical design parameters in the repair strength. Processing and assessment of the mechanical performance of internal patch repairs on sandwich structures is a complex task with multiple material and process parameters. In general, this thesis contributes to a better understanding of the mechanical behavior of adhesively bonded repaired sandwich structures and their damage process. The finite element models developed in this work and validated experimentally have contributed through parametric numerical simulations to an economical better understanding of the influence of different geometric parameters on the strength and failure of internal patch repaired sandwich panels.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/37713 |
| Date | 08 January 2020 |
| Creators | Ghazali, Emna |
| Contributors | Dano, Marie-Laure, Gakwaya, Augustin |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxviii, 234 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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