Constitutive modelling of structural adhesives, experimental and numerical aspects

Le collage structural est une alternative innovante et efficace a des procedes d'assemblages plus traditionnels comme le soudage ou le rivetage. Cependant, cette technologie est encore relativement recente et l'evaluation systematique de la tenue mecanique des assemblages colles est absolument necessaire. Cela revient a connaitre non seulement les performances et le comportement mecanique de l'adhesif lors de tests mecaniques standards en laboratoire mais egalement au sein de structures collees reelles ou les substrats ont des geometries souvent complexes. La simulation numerique par elements finis est un outil permettant de repondre a ce dernier point, en theorie. Cependant dans la pratique, la faible epaisseur des cordons de colles et le comportement specifique de l'adhesif au sein du joint colle rendent la simulation numerique difficile avec les codes de calculs commerciaux disponibles sur le marche. Cette these se concentre sur la validation du comportement mecanique des structures collees grâce a la simulation par elements finis. L'etude se limite a l'adhesif structural SikaPower-490 et a des cas de charges quasi-statiques mais s'efforce de decrire a la fois la resistance et l'endommagement du joint colle jusqu'a rupture. La premiere partie de ce memoire se consacre a l'etude des tests experimentaux requis pour mesurer les proprietes mecaniques des adhesifs structuraux. Un premier groupe d'experiences est dedie a la caracterisation du comportement elasto-plastique de l'adhesif soumis a differents chemins de chargements et jusqu'a sa resistance maximale. Les eprouvettes utilisees au cours des experiences sont soit des cylindres creux colles bout-a-bout, soit des eprouvettes de cisaillement avec substrat epais, du type TAST ou TAST modifie, soit des tests Arcan modifies. Un second groupe d'experiences est compose du test « double cantilever beam » (DCB) et du test « End Notched Flexure » (ENF), dedies a l'etude de l'endommagement et de la fissuration dans l'adhesif. La seconde partie du memoire se focalise sur les modeles constitutifs aptes a decrire le comportement des adhesifs structuraux dans la simulation par elements finis. Des modeles elasto-plastiques classiques tels que le modele de Prandtl-Reuss et le modele d'Exponent Drucker-Prager sont evalues, mais leur manque de precision a mene a l'implementation d'un modele elasto-plastique dependant a la pression inspire du travail de Mahnken et Schlimmer. L'identification des parametres constitutifs est une etape tres importante. L'inhomogeneite des contraintes dans la couche d'adhesif demande l'elaboration d'une procedure d'identification inverse specifique. Avec cette methode il est possible d'identifier avec precision un jeu de parametres qui decrit le comportement non-lineaire de l'adhesif sous chargement multiaxial. Afin de repondre aux attentes des constructeurs automobiles concernant les temps alloues aux cycles de developement d'un modele elements finis et aux calculs, le modele constitutif developpe et valide jusqu'ici avec des elements solides est valide avec des elements cohesifs dits d'interface. Ces elements cohesifs sont egalement utilises pour l'etude de l'endommagement et de la fissuration dans la couche d'adhesif a l'aide d'un modele constitutif elastique-endommageable dit de traction-separation. Les avantages et inconvenients des modele elasto-plastique et elastique-endommageable sont passes en revue et les deux approches sont finalement couplees afin d'obtenir un modele complet elasto-plastique considerant egalement l'endommagement et la fissuration. Pour finir les modeles constitutifs de traction-separation et elasto-plastique avec endommagement sont valides avec la simulation par elements finis d'etudes de cas industriels representatifs de structures collees dans la caisse en blanc d'un vehicule automobile. Ces etudes de cas consistent d'une part en une poutre constituee d'un profile mince en forme de chapeau et collee a une plaque soumise a un chargement de flexion trois points, et, d'autre part, en un joint colle en forme de T et soumis a deux types de chargements menant tous deux a la rupture du joint colle.