Experimental and numerical characterisation of riveted joints dynamically loaded
Contribution à la caractérisation numérique et expérimentale d'assemblages structuraux rivetés sous sollicitation dynamique
Résumé
As part of aeronautical framework design and of the modelling of their mechanical strength, local non linear behaviours which can lead to failure have to be taken into account and particularly the bonding behaviours. For survivable crash conditions, the bondings are subjected to dynamic loads which can lead to the complete framework failure or dislocation. To characterise the dynamic strength of riveted joints, a 'numerical data base' methodology is proposed to limit the cost of experimental procedures. Based on FE modelling and optimisation using inverse method, the method relies on the determination of non linear and 'at failure' behaviour parameters of the materials which compose the riveted joints. An optimisation self developed code is presented in the first part. Behaviour models of both aluminium alloys (assembly materials) are identified with the optimisation tool. Both models are used to perform the simulations of different riveted joint tests. The estimation of the residual stresses and strains due to the riveting process is studied in the second part. Forming mechanisms of the rivets are analysed from experiments. Simulations are performed with the explicit FE code PAM-SOLID(TM) to introduce, once validated, the residual stresses and strains of the riveting process in a FE simulation of the mechanical strength of riveted joint assemblies. The feasibility of the numerical data based method is established in the third part. Gurson damage parameters are identified for materials using inverse method. The quality of the results enables one to extend the use of the numerical tool to the characterisation of equivalent rivet model. Simplified modelling technique for bonds are studied in the last part. A failure criterion is determined by an ARCAN test procedure and by the numerical data base method. A new non linear simplified rivet model is developed in the FE code PAM-SOLID(TM) and its parameters are identified. All the results obtained are finally applied to the crash modelling of a 700 rivets framework.
Dans le cadre de la conception des structures aéronautiques et de la modélisation de leur tenue mécanique, la représentation des comportements non linéaires locaux conduisant à la rupture est nécessaire et notamment ceux des liaisons. Ainsi en situation de crash survivable, les liaisons sont soumises à des charges dynamiques qui peuvent conduire à la rupture et à la désarticulation. Pour caractériser la tenue au crash des assemblages rivetés, une méthodologie dite de 'plans d'expérience numériques' est proposée ; son intérêt est de limiter le coût des procédures expérimentales. Fondée sur les techniques de modélisation par éléments finis et d'optimisation par méthode inverse, la méthode repose sur la détermination des paramètres du comportement non linéaire et à la rupture des matériaux constitutifs de la liaison rivetée. Le développement de l'outil informatique d'optimisation est présenté dans la première partie du mémoire. Les modèles de comportement de deux alliages d'aluminium composant l'assemblage sont identifiés grâce à l'optimiseur. Ils seront utilisés pour mener les simulations de différents essais effectués sur les assemblages. L'évaluation des contraintes et des déformations résiduelles dues au procédé de rivetage est abordée dans la deuxième partie. Les mécanismes de mise en forme des rivets sont analysés expérimentalement. Des simulations sont d'autre part entreprises à l'aide du code de calcul explicite PAM-SOLID(TM), afin d'introduire, une fois validées, les contraintes et les déformations résiduelles post-rivetage dans le calcul de la tenue mécanique de l'assemblage. La faisabilité des plans d'expérience numériques est démontrée dans la troisième partie. Les paramètres d'endommagement du modèle de Gurson sont identifiés par méthode inverse pour les deux matériaux composant l'assemblage. La qualité de l'ensemble des résultats obtenus permet notamment d'envisager l'emploi de l'outil de simulation dans le cadre de la caractérisation de modèles équivalents macroscopiques du rivet. Ces techniques de modélisation simplifiée des liaisons sont abordées dans la dernière partie. Un critère de rupture de la liaison est caractérisé par l'expérience à l'aide du dispositif ARCAN et par plan d'expérience numérique. Un nouveau modèle non linéaire de la liaison est développé dans le code de calcul PAM-SOLID(TM) et ses paramètres identifiés. L'ensemble des résultats obtenus est finalement appliqué à la simulation de l'écrasement d'une structure comportant 700 rivets.
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