Characterisation and Modelling of Thermo-Oxidation on The Mechanical Behaviour of Structural Bonded Joints
Caractérisation et modélisation de la thermo-oxydation sur le comportement mécanique des assemblages collés structuraux
Résumé
Bonded assemblies are increasingly used in the aerospace industry due to their ability to reduce the overall mass of the assembly and ensure a uniform distribution of load. However, their susceptibility to high temperatures, leading to thermo-oxidation, poses a challenge by compromising the integrity of the bonds and resulting in premature failure. With the anticipated rise in turbojet engine temperatures, a comprehensive examination of these ageing phenomena becomes imperative for predicting crack initiation in adhesive joints, considering temperature, pressure, and mechanical stresses. Thermo-oxidation is governed by oxygen diffusion-reaction mechanisms, leading to non-uniform degradation confined to thin layers on the material's surface. Conventional mechanical tests conducted on adhesive joints, aimed at minimizing edge effects and homogenizing stress conditions within the bond, do not adequately capture the mechanical gradients in the oxidized zones. Therefore, it is necessary to develop a methodology to understand the degradation caused by thermo-oxidation in these zones, affecting the structural integrity. This study employs a multi-scale approach by investigating firstly the effects of oxidation on bulk adhesive samples. Local assessment of oxidation gradients is performed through indentation tests, leading to the formulation of a behaviour law dependent on the degree of oxidation, as indicated by a phenomenological indicator. Subsequently, the results are extrapolated to the adhesive material confined within the bonded assembly, assuming a similar response between the bulk adhesive and the confined adhesive when subjected to indentation. By examining the shrinkage of the aged bonded joint under an optical microscope, the volumetric deformations resulting from the oxidation process can be characterized, and the hypothesis of uniform oxidation throughout the joint thickness can be validated (no interface effect). Finally, a numerical multi-physics model is developed to evaluate the stress and strain state during and after the thermo-oxidative ageing process. This modelling approach relies on a simple indicator of the chemical reaction's progress, facilitating coupled finite element simulations within reasonable timeframes. To investigate the initiation of cracks in a bonded assembly aged through thermo-oxidation, an adapted testing method is employed, which utilizes a multi-instrument setup including a long-distance QUESTAR microscope and acoustic emission. Three-point bending tests are carried out on both pristine and aged specimens of Single Lap Joint (SLJ). Subsequently, structural simulations are conducted using the developed numerical model to analyse the test results, ultimately contributing to a deeper understanding of crack initiation in a material exposed to a gradient.
Les assemblages collés sont de plus en plus utilisés dans l'industrie aéronautique car ils réduisent la masse totale de l'ensemble et assurent une distribution uniforme de la charge. Cependant, ils sont plus sensibles aux températures élevées pouvant induire une thermo-oxydation, qui affaiblit les assemblages et entraîne leur ruine prématurée. L’augmentation future des températures des turboréacteurs rend nécessaire l’étude de ces phénomènes de vieillissement afin de prédire l'amorçage de fissures dans les joints collés, en tenant compte des conditions de température, de pression et de sollicitations mécaniques. La thermo-oxydation est régie par des mécanismes de diffusion-réaction de l’oxygène, ce qui entraine une dégradation hétérogène et confinée dans des couches minces à la surface du matériau. Les essais mécaniques classiques sur joint collé, qui minimisent les effets de bords et uniformisent l’état de contrainte dans le collage, ne permettent pas d’étudier les gradients mécaniques dans les zones oxydées de manière adéquate. Il est donc nécessaire de développer une méthodologie pour appréhender la dégradation causée par la thermo-oxydation dans ces zones, impactant l’intégrité de la structure. Une approche multi-échelle est employée dans ces travaux en étudiant les effets de l’oxydation sur des échantillons massifs d’adhésif dans un premier temps. Les gradients d'oxydation sont évalués localement à l'aide d'essais d'indentation, ce qui permet d'établir une loi de comportement dépendant du degré d'oxydation, représenté par un indicateur phénoménologique. Les résultats obtenus sont ensuite transférés à l'adhésif confiné dans l’assemblage collé via l’hypothèse de similitude des réponses entre l'adhésif massif et l'adhésif confiné lorsqu'ils sont indentés. En observant au microscope optique le retrait dans le joint collé vieilli, les déformations volumiques générées par le processus d'oxydation peuvent être caractérisées et l’hypothèse d’une oxydation uniforme sur l’épaisseur du joint peut être validée (pas d’effet d’interface). Enfin, une modélisation multi-physique numérique est développée pour évaluer l’état de contrainte et de déformation pendant et à l’issue du processus de vieillissement thermo-oxydant. Celle-ci s’appuie sur un simple indicateur du degré d’avancement de la réaction chimique, ce qui permet de réaliser des simulations éléments finis couplées dans des échelles de temps raisonnables. Pour examiner le processus d’amorçage de fissure dans un assemblage collé vieilli par thermo-oxydation, une méthode d’essai spécifique est mise en place, impliquant un montage multi-instrumenté avec un microscope longue distance QUESTAR et de l’émission acoustique. Des essais de flexion 3 points sont ainsi menés sur des éprouvettes à simple recouvrement (Single Lap Joint ou SLJ) saines et vieillies. Des simulations sur structure, utilisant le modèle numérique développé, sont réalisées pour analyser les résultats de ces essais et permettent finalement d’améliorer la compréhension de l’amorçage de fissure dans un matériau soumis à un gradient.
Origine : Version validée par le jury (STAR)