Investigation on Multi-Bolted/Bonded Single-lap Composite Joints via 3D Digital Image Correlation (DIC) Technology

Toute structure compte une panoplie de composantes connectées ensemble. Le concept des joints est essentiel puisqu'il permet l'assemblage de plusieurs sections formant une structure. Par contre, dans une structure, les joints sont toujours considérés comme le point le plus faible de celle-ci, où les problèmes se développent. Un joint peut raccorder des composantes faites de matériaux différents tels que : des métaux, des alliages, des composites, etc. Les caractéristiques inhérentes des matériaux composites donnent cet avantage aux manufacturiers de produire une composante à l'aide d'un simple moule qui se rapproche de la géométrie ou de la forme désirée. Cette particularité réduit significativement le nombre de joints en comparaison avec les composantes métalliques. Toutefois, ceci ne signifie pas que les joints ne sont pas nécessaires pour les composites. Leur manque de ductilité ainsi que le comportement fragile font en sorte que les joints des composites sont différents des joints métalliques. Par conséquent, l'étude des joints pour les matériaux composites est essentielle afin de comprendre leur comportement, ce qui pourrait permettre la mise en place de lignes directrices de design afin d'avoir un joint sécuritaire, durable et fiable. Cette thèse porte sur l'étude expérimentale du comportement mécanique et de fracture des joints à simple chevauchement (SL) seulement boulonnés (OB) et hybride (boulonnés/collés) (HBB) en utilisant la technologie de corrélation d'image numérique (DIC). Par l'utilisation de cette technique avancée, le déplacement et/ou la déformation (dans le plan ou hors plan) de chaque point peuvent être mesurés à partir du moment où la charge est appliquée jusqu'à la défaillance. Ceci permet donc de caractériser précisément le champ de déformation, l'initiation et la progression des fissures, les mécanismes de défaillance ainsi que tout autre résultat connexe. Les contributions de la présente recherche débutent avec l'étude d'un phénomène typique se produisant dans les joints SL de composites dénommé le moment secondaire (SB). La technologie 3D-DIC a été utilisée pour mesurer le déplacement hors plan (OPD), ce qui représente ledit SB de la surface du spécimen dans les joints à simple recouvrement multiboulonnés pour les drapage croisés (CP) et quasi isotropes (QI) de carbone/époxy pour deux épaisseurs de stratifié. Le modèle analytique de la ligne neutre (NLM) a été utilisé dans ce travail et prédit la même tendance observée par les résultats DIC. Il a été observé que le ratio de SB est 30% plus élevé dans les stratifiés CP que ceux ayant un drapage QI. Dans la présente thèse, la technologie 3D-DIC a été utilisée pour élucider le comportement en traction des joints SL de type OB et HBB en mesurant la distribution des contraintes et les effets secondaires de moment ainsi que de torsion. Aussi, les données fournies par le DIC ont illustré l'équilibre entre la charge de matage et le contournement de la charge ainsi que le mécanisme de transfert de charge en suivant l'évolution du champ de déformation dans les régions sous les boulons. Les résultats ont montré que l'ajout de l'adhésif comporte deux principaux bénéfices, soit : la diminution de la concentration de contrainte dans l'entourage des boulons et le retard de l'initiation du dommage et donc de la défaillance finale, et la diminution des phénomènes de torsion et de SB ainsi que de leur effet nuisible. L'élongation du trou boulonnée est un paramètre important dans la détermination de la défaillance des joints boulonnés. La technologie DIC est un outil puissant permettant la mesure de l'élongation du trou (BHE) dans les joints de composites OB et HBB. Dans les joints HBB, il a été observé que l'hybridation diminue fortement l'élongation du trou. Ce phénomène était plus prononcé dans les spécimens CP que ceux QI. Les résultats ont montré que pour les joints HBB, l'élongation du trou n'est pas dépendante du drapage, alors que ce paramètre a un grand impact dans le cas des joints OB. De plus, il a été trouvé que dans le cas des joints OB, la contribution du contournement de charge est supérieure à celle de la charge de matage en ce qui a trait à l'élongation du trou. Les déformations hors plan dans la région de recouvrement des joints HBB ont été bien capturées en utilisant le DIC. Les composantes de déformation principales : la déformation de décollement (Ɛzz), la déformation en cisaillement (Ɛxz) et la déformation longitudinale (Ɛxx), sont identifiées durant toute la durée du test de traction. Le suivi en temps réel du développement des déformations dans la région mentionnée a aidé à identifier la charge correspondant à l'initiation de la défaillance dans l'adhésif. Il a été trouvé que la défaillance est initiée avant que la charge n'atteigne 50% de sa valeur finale. De plus, les résultats ont illustré que les déformations de décollement et en cisaillement, en plus de la rotation du joint dans les joints HBB-CP sont supérieures à celle des joints HBB-QI. Les résultats obtenus dans le cadre de ce travail de recherche ont contribué à approfondir la connaissance en ce qui a trait au comportement des joints OB et HBB pour les matériaux composites. La contribution de la technologie DIC pour élargir notre compréhension du comportement mécanique des assemblages mécaniques fut démontrée et devrait donc être poursuivie. Nous estimons que ces résultats peuvent être utiles pour permettre un design d'un joint structurel en composite optimisé et sécuritaire.

Abstract

Each structure comprises a variety of components connecting to each other. Thus, the joining concept is important as it forms a structure by holding different sections next to each other. However, in a structure, the joints are always considered as the weakest part where the problems stem from. A joint can connect components made of different materials, such as metal, alloys, composites, etc. The inherent characteristic of composite materials gives this edge to manufacturers to produce a composite component using a simple mold yet close to the desired geometry or shape. This feature noticeably reduces the number of joints, particularly when compared with conventional metal components, where numerous joints might be required. This fact does not deny the need for joining composite components while they are brittle and suffer from a lack of ductility. Therefore, the study of composite joints is essential to understand their behavior, which can provide a guideline for a reliable, durable and safe joint design. This thesis deals with the experimental study of the mechanical and fractural behavior of only-bolted (OB) and hybrid bolted/bonded (HBB) single-lap (SL) composite joints using Digital Image Correlation (DIC) technology. Through this advanced technique, displacement/strain (in-plane or out-of-plane) of each individual point can be measured from the moment of applying load to the final fracture; therefore, strain distribution, crack initiation/propagation, failure mechanism, and such related matters can be precisely characterized. The contributions of the current research start with studying a very common phenomenon that occurs in SL composite joints called secondary bending (SB). 3D-DIC was utilized to measure out-of-plane displacement (OPD), which represents the so-called SB, of the specimen surface in multi-bolt single-lap joints composed of cross-ply (CP) and quasi-isotropic (QI) carbon/epoxy laminates for two laminate thicknesses. The analytical Neutral Line Model (NLM) was used in this work, which predicts the same trend observed by DIC results. The quantified SB ratio was found to be approximately 30% higher in CP than in QI. In the present thesis, 3D-DIC technology has been widely used to elucidate the tensile behaviors of OB and HBB SL joints through the measurement of stress distribution and bending/torsion side effects. Additionally, the DIC data illustrated the balance between bearing and bypass loads as well as the load transferring mechanism by tracking the strain evolutions in the regions under the bolts. The results showed that added adhesive creates two significant benefits; first, it relieves stress concentration in the vicinity of the bolts and delays damage initiation and thereby the final fracture, and second, it diminishes the SB and twisting phenomena and their associated deleterious effects. The elongation of the bolt hole is an important parameter to assess the failure of bolted joints. DIC is a powerful means to measure bolt hole elongation (BHE) in OB and HBB composite joints. In HBB joints, it was observed that hybridization decreases the BHE significantly, which was more pronounced in CP configurations than that of QI. Results exhibited that in HBB joints, hole elongation is not dependent on laminate lay-up, while it is very influential in OB joints. Furthermore, it was found that in OB joints, the contribution of the bypass loads to the elongation of the hole is greater than that of the bearing action. Through-the-thickness deformations of the overlap region of the thick HBB composite joints can be well captured using DIC. The major strain components, namely peel strain (Ɛzz), shear strain (Ɛxz), and longitudinal strain (Ɛxx), are identified during the entire tensile test. The real-time monitoring of the strain development in the mentioned region helped to find the corresponding load at which the adhesive failure initiates. It was found that failure nucleates before the load reaches 50% of its ultimate value. Moreover, results illustrated that peel and shear strains, as well as joint rotation in HBB-CP, are higher than those of HBB-QI. The results obtained within the framework of this research contributed to deepening the knowledge on the behavior of OB and HBB composites. The contribution of DIC technology to broaden our understanding of the mechanical behavior of mechanical assemblies has been demonstrated and should therefore be pursued. It is believed that the obtained results can be useful for designing optimized and safe composite joint structures.