Interfaces et adhésion

Nos travaux dans ce thème ont pour objet la caractérisation expérimentale, la modélisation et la simulation des interactions entre corps solides. Ceci concerne différents types d’interactions (contact, frottement, adhésion, transformations de surface, résistance thermique de contact, etc.), différents types de matériaux (métalliques, bétons, silice, résines, etc.) et différents domaines d’applications (transport, spatial, aéronautique, énergie, etc.). Nous nous intéressons plus particulièrement à la compréhension des phénomènes mis en jeu, au développement de modèles de comportement et à leur analyse mathématique et au développement de méthodes numériques originales adaptées à ce contexte, en général non régulier.

Participants permanents : Caroline Bauzet (MCF AMU), Amal Bechikh (MCF ECM), Frédéric Lebon (Prof AMU), Aurélien Maurel-Pantel (MCF AMU)

Caractérisation et modélisation du comportement des interfaces adhésives

Il s’agit de problématiques où des corps solides sont assemblées par l’intermédiaire d’un adhésif ou par collage spontané (collage direct). On s’intéressera à la fois à la caractérisation expérimentale de ces assemblages (en statique, en fatigue, au choc, en vieillissement, etc.), à la modélisation phénoménologique ou déductive (en lien avec les travaux du thème « mécanique des milieux hétérogènes et homogénéisation ») et à l’analyse de la consistance mathématique des modèles (avec prise en compte d’incertitudes, par exemple). Les problèmes mécaniques peuvent éventuellement être couplés à plusieurs physiques (en lien avec le thème « couplages multiphysiques »).

Les questions scientifiques abordées ont principalement un lien avec la tenue et la durée de vie de structures assemblées en prenant en compte leur environnement (fatigue, vieillissement, fluage, endommagement/guérison, etc.) mais aussi avec des problèmes mathématiques soulevés par la modélisation des phénomènes mis en jeu.

Essais Arcan modifié pour des éprouvettes cylindriques avec suivi de champs de déformation par corrélation d’images

Caractérisation et modélisation du comportement de l’assemblage par collage direct

La problématique concerne l’intégration du collage par adhésion moléculaire pour les dispositifs optiques spatiaux et terrestres. Ces travaux se fixent pour objectif de décrire les phénomènes multiphysiques d’adhésion de deux surfaces sans l’ajout de colle polymérique ou de liquide épais. Pour ce faire il est nécessaire de maitriser la rugosité inférieure au nanomètre de ces surfaces pour créer des liaisons de van der Walls ou des liaisons covalentes à l’interface. Les différentes voies de création et de renforcement de l’adhérence sont explorées comme les recuits, les traitements UV ou les plasmas. Les efforts portent sur la validation de méthodes de renforcement de la tenue mécanique de ces interfaces, en limitant la sensibilité aux défauts et la confiance en la mesure, tout en respectant les limitations du domaine et le développement de modèle de simulation adaptée à cette interface. Pour ce faire des méthodes spécifiques ont été développées afin de caractériser les propriétés mécaniques des assemblages par collage direct : en commençant par les méthodes de type propagation et/ ou initiation de la rupture pour différentes directions de chargement et pour des sollicitations statiques ou dynamiques et pour finir avec des essais de qualification de maquettes de vol.

A gauche -> Image Slicer réalisé par adhérence moléculaire pour le Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) in the Very Large Telescope (VLT)

A droite -> Essais Arcan modifié adapté pour accueillir des éprouvettes cylindriques adhérées par collage direct. Maquette de coin de cube réalisé par adhérence moléculaire et positionné sur son support mécanique. La maquette est montée sur un banc d’essai pyrotechnique du CNES pour valider sa résistance à la spécification de choc du lanceur.

Caractérisation et modélisation du comportement des contacts frottant

Il s’agit de problématiques où des corps solides, généralement métalliques sont assemblées par contact. Pour la partie expérimentale, on s’intéressera à la fois à la caractérisation des matériaux mis en jeu, à leur évolution microstructurale sous chargement (de type phase blanche ou brune, en lien avec des partenaires académiques extérieurs) et à la mesure des coefficients de frottement. Là aussi, les problèmes mécaniques peuvent éventuellement être couplés à plusieurs physiques (en lien avec le thème « couplages multiphysiques »).

Les questions scientifiques abordées ont principalement un lien avec la tenue et la durée de vie des structures en contact mais aussi avec des problèmes mathématiques soulevés par la modélisation des phénomènes mis en jeu.

Aspects numériques et logiciels

Les problématiques du fait de leur caractère souvent non-régulier nous amènent à développer des formulations numériques spécifiques (par exemple : raffinement adaptatif de maillage, multi-grilles, calcul d’erreur a posteriori, etc.) qui peuvent permettre de traiter certains verrous numériques (par exemple liés à la diversité des échelles spatiales). Ces développements peuvent se décliner sur le plan logiciel dans des outils propres, i.e. des codes éléments-finis internes, ou des outils développés par un partenaire industriel (type Cast3M ou PLEIADES) ou encore dans des codes commerciaux (comme Abaqus ou COMSOL par exemple).    

Simulation sous Comsol®, à l’aide du modèle d’interface imparfaite présentant un endommagement évolutif, de l’essai statique et cyclique sur la structure poutre poteau réalisée par assemblage de poutres composites pultrudées par collage.