A Progressive Damage Model for Predicting Tensile Performance of Composite Single-Bolt Double-Shear Joints with Prefabricated Hole-Edge Delamination: Unveiling Size-Dependent Delamination Behavior
Cette étude combine des essais expérimentaux et un modèle de dommage progressif 3D validé pour démontrer que les délaminations préfabriquées au bord des trous influencent de manière significative la performance en traction et la propagation de la rupture des assemblages composites à un seul boulon et double cisaillement, révélant un comportement dépendant de la taille où la charge ultime diminue de 5,7 % lorsque le diamètre de la délamination passe de 0 à 28 mm.
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Les avions modernes sont de plus en plus construits à partir de couches de fibre de carbone et de résine, un matériau connu pour être incroyablement résistant tout en étant remarquablement léger. Ce matériau composite permet à des avions comme le Boeing 787 et l'Airbus A350 de voler plus loin et de consommer moins de carburant que leurs anciens homologues métalliques. Cependant, ces structures légères doivent toujours être maintenues ensemble, et la manière la plus fiable de le faire est avec des boulons. Lorsque les ingénieurs percent un trou pour y insérer un boulon, le processus peut parfois provoquer un léger décollement des couches du matériau, un défaut connu sous le nom de délamination. Cette séparation se produit souvent précisément au bord du trou où se trouve le boulon. Bien qu'une petite séparation puisse sembler inoffensive, elle peut agir comme un point faible caché qui s'accentue sous la contrainte du vol, pouvant mener à une défaillance catastrophique. Comprendre exactement comment ces défauts cachés affectent la résistance d'un assemblage est crucial pour concevoir des avions plus sûrs et plus efficaces.
Des chercheurs de l'Université d'Aéronautique et d'Astronautique de Nanjing et de l'Institut de conception et de recherche d'aéronefs d'AVIC Chengdu se sont donné pour mission de résoudre ce casse-tête en étudiant un type de connexion spécifique : un seul boulon maintenant ensemble deux pièces de matériau composite superposées, une configuration appelée assemblage à un seul boulon en double cisaillement. Ils voulaient voir comment la taille d'une séparation préexistante au bord du trou modifiait la capacité de l'assemblage à supporter une charge. Pour ce faire, ils ont créé une série d'éprouvettes de test en utilisant un composite de fibre de carbone à haute résistance. Certains de ces spécimens étaient parfaits, sans aucun défaut, tandis que d'autres présentaient une séparation circulaire introduite entre des couches spécifiques du matériau, avec des diamètres de 12, 20 et 28 millimètres. Ils ont ensuite tiré sur ces assemblages pour les séparer lors d'un test contrôlé afin de voir quelle force ils pouvaient supporter avant de rompre.
L'équipe ne s'est pas contentée de tests physiques ; elle a également construit un jumeau numérique détaillé de l'expérience. En utilisant une modélisation informatique avancée, ils ont simulé la façon complexe dont le matériau se brise, couche par couche, et comment la séparation se propage. Ce modèle numérique leur a permis de suivre les fissures invisibles et les points de contrainte difficiles à observer lors d'un test physique. Les prédictions de l'ordinateur correspondaient aux résultats des tests physiques avec une précision remarquable, avec une différence de moins de dix pour cent. Ce succès a donné aux chercheurs un outil puissant pour explorer des scénarios qu'ils ne pouvaient pas facilement tester en laboratoire, comme le changement de la forme du défaut ou le déplacement de son emplacement au sein du matériau.
Les tests physiques ont révélé une tendance claire et attendue : plus la séparation préexistante était grande, plus l'assemblage devenait faible. Les spécimens parfaits ont supporté une force moyenne de 16,44 kilonewtons. Lorsque le diamètre de la séparation est passé à 28 millimètres, la force moyenne est tombée à 15,51 kilonewtons, soit une réduction de 5,7 %. Bien que ce pourcentage puisse sembler faible, dans le monde de l'ingénierie aérospatiale, chaque fraction de résistance compte. Les chercheurs ont observé que la défaillance n'était pas une rupture soudaine mais un processus graduel. À mesure que la charge augmentait, le matériau autour du trou du boulon commençait à s'écraser et les fibres à flamber, tandis que la séparation entre les couches s'agrandissait. Le modèle numérique a montré que cet endommagement commençait du côté du trou où le boulon poussait contre le matériau et se propageait vers l'extérieur en un demi-cercle.
La découverte la plus surprenante fut peut-être la manière dont la taille du défaut modifiait son comportement. Lorsque la séparation préexistante était petite, l'endommagement ne restait pas contenu ; il se propageait bien au-delà du défaut initial, s'élançant vers l'extérieur à travers le matériau. Cependant, lorsqu'elle était grande, l'endommagement restait principalement dans les limites de la séparation préexistante, avec très peu de propagation supplémentaire. Cela suggère un seuil critique : les petits défauts sont dangereux car ils déclenchent une réaction en chaîne qui détruit le matériau sain environnant, tandis que les gros défauts sont dangereux simplement parce qu'ils sont volumineux, limitant la capacité du matériau à partager la charge mais ne déclenchant pas nécessairement une défaillance massive incontrôlée.
Les chercheurs ont également utilisé leur modèle informatique pour tester comment d'autres facteurs influençaient la résistance de l'assemblage. Ils ont découvert que l'emplacement de la séparation importait considérablement. Un défaut situé près du milieu de l'épaisseur du matériau était plus dommageable qu'un défaut situé près de la surface, car les couches centrales sont moins contraintes par la pression du boulon et peuvent se séparer plus facilement. La forme du défaut jouait également un rôle ; une séparation de forme carrée causait plus de dommages qu'une séparation circulaire ou elliptique, probablement parce que les coins saillants créaient des concentrations de contraintes plus intenses. De même, l'orientation d'un défaut elliptique importait, un alignement spécifique provoquant la plus grande perte de résistance.
Enfin, l'étude a examiné si le processus d'assemblage lui-même pouvait aider ou nuire à l'assemblage. Ils ont découvert que serrer le boulon plus fermement, ce que l'on appelle augmenter la précharge, rendait en fait l'assemblage plus solide en pressant les couches ensemble et en maintenant la séparation sous contrôle. Inversement, si le boulon était légèrement plus petit que le trou, créant ainsi un jeu, l'assemblage devenait nettement plus faible. L'épaisseur des pièces métalliques maintenant l'assemblage ne changeait pas beaucoup la résistance maximale, mais elle affectait la rigidité ressentie de l'assemblage sous une charge légère. Ces conclusions fournissent une feuille de route claire aux ingénieurs, montant que, bien que les défauts préexistants soient inévitables, leur impact peut être géré grâce à une conception minutieuse, un assemblage approprié et une compréhension du comportement du matériau lorsqu'il est endommagé.
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