Conception axiomatique des joints hybrides à recouvrement simple en matériaux composites

La minimisation du poids étant un objectif primordial pour l'industrie de l'aéronautique et de l'automobile, les matériaux composites sont des éléments importants de la conception des composantes mécaniques puisqu'ils possèdent une résistance élevée par rapport à leur masse. Lorsque ceux-ci sont utilisés afin de concevoir des structures complexes, il est souvent impossible de les concevoir en une seule pièce, ce qui nécessite l'utilisation de joints. Ces joints introduisent des discontinuités dans la répartition des contraintes à l'intérieur des composantes et sont souvent des sites de concentration de contraintes. Par conséquent, ils peuvent limiter les performances d'une structure, en plus d'en augmenter la masse de façon significative suite à l'utilisation d'éléments d'assemblages mécaniques tels que des boulons ou des rivets. C'est pourquoi les joints collés sont de plus en plus populaires car ceux-ci sont beaucoup plus légers que les joints boulonnés ou rivetés en plus d'être souvent plus rigides. Malheureusement, il est très difficile d'inspecter un joint collé pour en identifier les défauts car la présence de fissures dans l'adhésif ne peut être observée à l'œil nu. C'est pourquoi, en aéronautique, ce type de joints n'est pas accepté pour des applications structurales par les autorités de certification. Pour palier à ce problème, l'utilisation de joints hybrides, c'est-à-dire des joints utilisant un adhésif et des éléments de fixations mécaniques, sont de plus en plus populaires. Par contre, ces joints sont souvent très peu optimisés suite à un manque de connaissances des interactions entre les méthodes d'assemblages utilisées. L'objectif principal de ce travail est de proposer une nouvelle méthodologie de conception des joints hybrides. Pour ce faire, des outils d'analyses performants permettant d'améliorer la compréhension du comportement des joints hydrides lorsque soumis à un effort externe ont été mis en place. Une meilleure compréhension des interactions entre les paramètres du joint était aussi requise. Afin d'approfondir nos connaissances sur le sujet, une revue de littérature a été réalisée. Celle-ci a été structurée afin de mettre l'emphase sur le comportement des joints hybrides à recouvrement simple lorsque soumis à une force externe en traction.

Abstract

Minimizing weight is a primary objective in every system design in the aerospace and automotive industry. Therefore, the use of composite materials has become an integral part of the design of mechanical components. However, in composite structure design, their complexity normally makes it impossible to design them as a single part. This leads to the necessity of using joints. Sadly, these joints introduce discontinuities in the stress distribution within the components and are often the sites of stress concentration. Therefore, they may limit the performance of a structure, in addition to increasing the overall mass significantly due to the use of mechanical fasteners such as bolts and rivets. This is why bonded joints are increasingly popular. They are much lighter than bolted or riveted joints and are often more rigid. Unfortunately, it is very difficult to inspect a bonded joint for defects since the presence of cracks in the adhesive cannot be observed with the naked eye. This is why, in the aeronautic industry, this type of joint is not accepted for structural applications by the authorities of certification. To correct this problem, the use of hybrid joints, that is to say joints using an adhesive and a mechanical fastener, are becoming increasingly popular. However, these joints are often poorly optimized due to a lack of knowledge of the interactions between the joining methods. The main objective of this work is to propose a new design methodology for hybrid joints. To accomplish this, it is necessary to establish reliable analysis tools to improve our understanding of the behavior of these joints when subjected to an external force. A better understanding of the interactions between the parameters is also required.