Analyse du transfert de charge de joints boulonnés à simple recouvrement

In the aerospace industry, composite materials are more and more used: they fulfill the aircraft manufacturers' issues thanks to their light weight and good properties. Two panels made of composite material are generally joined with bolts: it is easy to implement and to dismantle, this technique is used in the industry. However, bolts introduce stress concentration due to holes which are especially critical for composite materials. Bonded joint is another possibility for assembly. With a higher strength and stiffness than bolted joints, bonded joints do not add weight to the structure. This technique seems to be beneficial for the aircraft manufacturers but is not certified for primary structures. A hybrid, bolted and bonded, joint is a trade-off and could improve the properties of assemblies taking advantage of the two techniques. If bonded and bolted joints have been largely studied in a separately manner, hybrid joints have not been studied so much. That is why the COMP506's project of the CRIAQ is about design and analysis of these joints for aerospace structures. After working on a finite element model of a hybrid joint, we found that we must fully understand the load transfer in a bolted joint before studying a hybrid one. Thus, the main goal of this master thesis is about the study and the analysis of the load transfer distribution of bolted joints. Several configurations are studied in order to understand the distribution. The first step is to develop and to validate a 3-D finite element model thanks to ANSYS Workbench software. A comparison with different tests done experimentally is performed. The load distribution for assembly with many bolts is analysed and validated with an analytical model. Once this first step of developing and validating is done, the finite element model allows to conduct other analyses which cannot to be done experimentally. Thus, the load transfer can be analysed in detailed: its distribution between the transfer by pure contact and by friction is studied as a function of load and preload. Depending on the conditions, the transfer by adhesion increases. It is then possible to extrapolate the results to a hybrid joint. This work has led to a reliable model which will be used with other materials such as composite materials. Future works will be able to validate the extrapolations of the hybrid joint.

Résumé

Dans le domaine de l'aéronautique, les matériaux composites sont de plus en plus utilisés. Ils répondent à la problématique des avionneurs grâce à leur faible poids et leurs propriétés intéressantes. L'assemblage de deux panneaux composites se fait principalement par boulonnage : facile à mettre en oeuvre, démontable, cette technique est celle utilisée dans l'industrie. Cependant, le boulonnage introduit une concentration de contrainte par la création de trous qui sont particulièrement néfastes pour les matériaux composites. Le collage est une autre technique connue pour l'assemblage. Présentant une résistance et une rigidité plus élevée que le boulonnage et n'ajoutant pas de poids à l'assemblage, cette technique semble être bénéfique pour le domaine de l'aéronautique mais n'est cependant pas certifiée pour les structures primaires. Un assemblage hybride, boulonné et collé, constitue un compromis et pourrait améliorer les caractéristiques des jonctions en tirant profit des avantages des deux techniques. Si les méthodes de collage et de boulonnage ont été amplement étudiées de manière séparée, ce n'est pas le cas de l'assemblage hybride. C'est pourquoi le projet COMP506 du CRIAQ porte sur le design et analyse de ces joints pour les structures aéronautiques. Au cours des recherches sur la modélisation par éléments finis d'un joint hybride, nous nous sommes aperçus qu'il fallait bien maîtriser le transfert de charge dans le joint boulonné avant de s'intéresser à un assemblage mixte. Ainsi, l'objectif principal de ce mémoire porte sur l'étude et l'analyse de la répartition du transfert de charge de joints boulonnés. Différentes configurations sont étudiées afin d'en comprendre l'évolution. Le développement et la validation d'un modèle 3D par éléments finis à l'aide du logiciel ANSYS Workbench est la première étape. Des comparaisons avec différents tests effectués expérimentalement au préalable sont réalisées. La répartition de la charge pour des assemblages à plusieurs boulons est analysée et validée à l'aide d'un modèle analytique. Une fois cette première étape de développement et de validation effectuée, le modèle par éléments finis permet de mener d'autres analyses, difficiles à faire expérimentalement. Ainsi, le transfert de charge peut être analysé en détail : sa distribution entre le transfert par contact pur et par frottement est étudiée en fonction de la force et de la précontrainte. Suivant les conditions, le transfert par adhérence augmente. Il est alors possible d'extrapoler les résultats au joint hybride. Ce travail a fourni un modèle fiable qui pourra être utilisé avec d'autres propriétés de matériaux comme des matériaux composites. Des travaux futurs pourront également s'intéresser à valider les extrapolations d'un joint hybride.