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Évaluation de la résistance statique d'un joint riveté par la méthode des éléments finis

Collins, Mathieu (2012). Évaluation de la résistance statique d'un joint riveté par la méthode des éléments finis. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Chez Bombardier Aéronautique, les valeurs préliminaires des charges admissibles des joints permettent la sélection des fixations et le dimensionnement préliminaire des joints de l’aéronef. Cette phase, appelée conception préliminaire, est d’une durée d’environ six mois et permet de commander la matière brute. La conception détaillée suit la conception préliminaire et nécessite les valeurs finales des charges admissibles afin d’approuver les dessins qui serviront à la fabrication de l’aéronef. Cette phase est d’une durée d’environ un an. Les charges admissibles des joints sont évaluées par le biais d’essais de traction. Chaque essai permet d’obtenir la résistance statique du joint analysé. À ce jour, aucune méthode analytique n’est disponible afin de prédire les charges admissibles des joints dont l’obtention nécessite une campagne d’essais expérimentaux.

La présente étude traite du développement d’une méthodologie pour évaluer la résistance statique d’un joint riveté. Dans la présente recherche, le rivet solide Aerolock en aluminium 2117-T4 est utilisé pour assembler deux tôles d’aluminium 2024-T3. La méthode des éléments finis (MÉF) est utilisée afin de prédire la résistance statique du joint riveté ainsi formé à l’aide du logiciel ANSYS Workbench. Pour ce faire, l’installation du rivet ainsi que l’essai de traction sont modélisés et résolus implicitement. Une caractérisation rigoureuse des matériaux permet d'évaluer avec précision la résistance statique du joint riveté analysé. Pour ce faire, la rupture est obtenue à l’aide d’une zone de cohésion préalablement définie dans le plan de cisaillement du corps du rivet. L’analyse de la rupture obtenue expérimentalement à l’aide d’un joint riveté de 2,03 mm d’épaisseur permet de valider la rupture prédite par le modèle d’éléments finis.

Le modèle d’éléments finis permet d’obtenir une excellente prédiction de la résistance statique du joint riveté de 2,03 mm d’épaisseur déterminée expérimentalement. Le modèle admet une erreur de 0,19% pour la résistance élastique et une erreur de 0,38% pour la résistance à la rupture. Cette corrélation permet de valider partiellement le modèle numérique. Le temps de calcul est d’autant plus satisfaisant puisque la résistance à la rupture est obtenue en seulement 20 minutes grâce aux différentes stratégies de modélisation employées. Le modèle développé est ensuite utilisé pour prédire les charges admissibles du joint riveté analysé obtenues expérimentalement. Pour ce faire, la résistance statique est évaluée pour les épaisseurs de tôles de 1,27 mm, 1,60 mm, 1,80 mm et 2,03 mm. Le modèle admet des erreurs moyennes de 1,41% pour les charges admissibles élastiques et de 1,84% pour les charges admissibles à la rupture par rapport aux charges admissibles obtenues expérimentalement. Ces résultats permettent d’affirmer qu’il est possible d’utiliser la MÉF pour prédire les charges admissibles d’un joint riveté.

Résumé anglais

At Bombardier Aerospace, preliminary joint allowable loads allow the selection of fasteners and joints preliminary sizing of the aircraft. This phase, called preliminary design, lasts about six months. Detailed design follows the preliminary design and requires final joint allowable loads to approve the drawings used in the manufacture of the aircraft. This phase lasts about a year. Joint allowable loads are evaluated through tensile tests. Each test provides the static strength of the joint. To date, no analytical method is available to predict joint allowable loads which require a campaign of experimental tests.

This study examines the development of a methodology for evaluating the static strength of a riveted joint. In this research, a solid rivet, called Aerolock, made in aluminum 2117-T4 is used to join two sheets of aluminum 2024-T3. The finite element method (FEM) is used to predict the static strength of this riveted joint using ANSYS Workbench. To do this, the installation of the rivet and the tensile test are modeled and solved implicitly. A rigorous characterization of materials allows to accurately evaluating the static strength of the riveted joint. The failure is obtained using a pre-defined area of cohesion in the shear plane of the rivet shank. The analysis of the failure obtained experimentally using a riveted joint of 2.03 mm thick is used to validate the prediction of the finite element model.

The finite element model allows obtaining an excellent prediction of the static strength of the riveted joint of 2.03 mm thickness determined experimentally. The model agrees with experimental results with an error of 0.19% for the yield strength and an error of 0.38% for the ultimate strength. This correlation validates partially the numerical model. The computation time is even more satisfactory since the static strength is obtained in only 20 minutes with the modeling strategies employed. The model is then used to predict the joint allowable loads obtained experimentally. To do this, the static joint strength is evaluated for sheet thicknesses of 1.27 mm, 1.60 mm, 1.80 mm and 2.03 mm. The model agrees with allowable loads obtained experimentally with an average error of 1.41% for the allowable elastic loads and an average error of 1.84% for the allowable ultimate loads. These results show that it is possible to use FEM to predict the static strength of a riveted joint.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique". Bibliographie : pages 94-95.
Mots-clés libres: Assemblages à rivets Propriétés mécaniques. Résistance à la traction. Élasticité. Essais dynamiques. Méthode des éléments finis. Avions Conception et construction. résistance statique, charges admissibles, joint riveté, zone de cohésion
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Ngô, Anh-Dung
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Lortie, Pascal
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 20 mars 2015 17:55
Dernière modification: 03 juin 2015 20:44
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1071

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