Nonlinear finite element analysis of composite bolted lap-joint: tests-calculations comparison

Analyse non linéaire par éléments finis d'assemblages composites boulonnés : comparaison essais-calculs

Benoit Montagne (1) , Frederic Lachaud (1) , Eric Paroissien (1) , Dominique Martini (2) , Fabrice Congourdeau (2)

1 ICA - Institut Clément Ader
2 Dassault Aviation

Carbone fiber reinforced plastics (CFRP) are widely used in aircraft industry because of their high mechanical properties. However these properties considerably drop when the composite material is drilled and bolted. Thus it is important to master the composite bolted joints behavior to avoid the structure failure. A progressive damage behavior for composite materials developed at Institut Clément Ader (ICA) is implemented on finite element models to simulate the behavior of supported single lap joints and double lap joints specimens. An in-plane shell model is sufficient to accurately simulate double lap joint tests. However this kind of model does not allow to accurately represent a single lap joint test because of the out of plane phenomena which occur during this test.A model with shell behavior is then developed. Damaging scenarios are elaborated to identify the composite material degradations leading to the structural stiffness loss. Compressive then tensile fiber failure in the 0° plies are the main reason of this stiffness loss.

Les matériaux composites à base de fibres de carbone et matrice organique sont très utilisés dans l’industrie aéronautique pour leurs très bonnes propriétés mécaniques. Cependant ces propriétés chutent considérablement lorsque les matériaux composites sont percés et boulonnés. Afin d’éviter la ruine de la structure, il est important de maitriser le comportement des assemblages composites boulonnés. Une loi de comportement endommageable pour les matériaux composites développée à l’Institut Clément Ader (ICA) est utilisée dans des modèles éléments finis afin de simuler le comportement d’éprouvettes de simple cisaillement soutenues et de double cisaillement. Un modèle plan avec un comportement de membrane est suffisant pour simuler correctement des essais de double cisaillement. Cependant ce type de modèle ne permet pas de représenter fidèlement un essai de simple cisaillement en raison des phénomènes hors plan qui se produisent. Un modèle de plaque est donc utilisé pour ce type d’essai. Des scenarios d’endommagement sont alors élaborés afin d’identifier les dégradations du matériau composite qui mènent à la chute de la raideur de la structure.La rupture des fibres en compression puis en traction dans les plis orientés à 0° est la principale cause de cette chute de raideur.

Mots clés: Composite materials; bolted joints; finite element analysis; damaging

Mots clés: Matériaux composites; assemblages boulonnés; analyse par éléments finis; endommagement

Domaines: Matériaux et structures en mécanique [physics.class-ph]

Benoit Montagne, Frederic Lachaud, Eric Paroissien, Dominique Martini, Fabrice Congourdeau. Analyse non linéaire par éléments finis d'assemblages composites boulonnés : comparaison essais-calculs. 21ème Journées Nationales sur les Composites, École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers (ENSAM) - Bordeaux, Jul 2019, Bordeaux, Talence, France. ⟨hal-02420749⟩