Dr. Halvar Schmidt, Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF

Avantages significatifs des constructions légères pour les structures adhésives complexes destinées à la fabrication de véhicules

Entrevue avec le Dr. Halvar Schmidt, gagnant du Prix HBM  2014

En participant au quatrième Symposium on Structural Durability in Darmstadt (SoSDiD),  Dr. Halvar Schmidt, un scientifique de Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF, a été récompensé par le Prix HBM pour son exposé sur "Vibration strength analysis of structural bonded joints under a load with variable amplitudes."

Le procédé de calcul élaboré par Dr. Halvar Schmidt permet d’obtenir de nombreux avantages significatifs et remarquables dans la fabrication automobile en concevant des structures adhésives complexes tout en réalisant une construction légère. Il nous a révélé lors de l’entrevue les avantages prometteurs de ce procédé et ce qu’il apporte au développement d'automobiles.

Vous avez élaboré un procédé de calcul qui permet lors de la fabrication d’un véhicule d’exploiter des structures adhésives complexes de manière à obtenir un ensemble léger. Quels sont les principaux avantages de ce processus ?

Un des grands avantages est certainement son orientation application. Le procédé a été conçu pour assurer cela à la fois en termes de détermination expérimentale des paramètres et d’analyse de la résistance à la fatigue. Cela concerne aussi bien les échantillons et le chargement considéré (voir les figures 1 et 2) que les contraintes du processus de calcul. Par exemple, les calculs d’élasticité purement linéaire avec des temps de calcul courts et une adaptabilité assurée apportent rapidement des résultats tangibles.

Il était également possible de démontrer expérimentalement qu'il y a également un fort potentiel pour une construction légère avec des joints collés si les charges réelles variant d'une façon aléatoire sont prises en compte (voir la figure 3). 

 

 

Fig. 1: Échantillon similaire au composant réel (pièce réelle à gauche et à droite le modèle CAO avec des pièces de montage)
Fig. 2: Spectre de charge utilisée, « CARLOS vertical, modifiée »

Quelle est la signification concrète des résultats de votre recherche pour les concepteurs d'automobiles ? Va-t-elle accélérer l'élaboration de méthodes innovatrices dans la  construction de châssis ?

Le travail complet de recherche ne va pas mener vers une révolution dans l'industrie d'automobile. Cependant, la technologie adhésive est toujours dans sa phase infantile en termes de longévité. Ces résultats constituent ainsi une contribution à pouvoir mieux évaluer  les joints collés comme des éléments essentiels à la conception de structures jointives concernant leur tenue à la vibration et permettre une meilleure utilisation de leur pleine capacité. Cela permet par exemple d’éviter un surdimensionnement de la pièce et de réduire le  poids tout en s’affranchissant de coûts inutiles pour créer des prototypes par une analyse informatique plus fiable.

 

Des critères de rupture et des méthodes de détection de fissures naissantes ont été identifiés à l’aide de tests préliminaires sur des éléments en tôle mince soudée. Des  jauges de contrainte et une analyse des contraintes thermoélastiques ont été employées pour étudier la rigidité et les contraintes cycliques. Quels sont les avantages des jauges de contrainte ?

L'avantage des jauges de contrainte est en général leur capacité à mesurer des contraintes locales dans une zone définie avec précision, sûreté et avec une très grande sensibilité. Quand des fissures naissantes ont été détectées, cela a permis de répondre aux changements les plus minuscules (dans ce cas des contraintes extérieures résultant de variations de l'effort dû à la formation des fissures et de leurs progressions) dans la zone du raccord jointif. Les jauges de contrainte HBM ont été utilisées en raison d'une excellente expérience faite dans le passé sur des applications avec des mesures fiables et précises. Une large gamme appropriée des jauges de contrainte était également disponible pour répondre à nos besoins, voir la figure 4.

 

 

Fig. 4: Échantillon soudé par points avec des jauges appliquées
Jauges de contrainte instrumentées sur un échantillon soudé par points
Échantillon collé équipé de jauges

Améliorations des constructions légères avec analyse de résistance à la fatigue et  utilisation croissante de structures adhésives dans la construction de véhicule. Vous employez, notamment, le logiciel GlyphWorks nCode. Comment évaluez-vous les possibilités de performance de cette solution logicielle ?

D'abord, le logiciel que vous citez est très facile à utiliser. En plus de l'interface de commande, il propose également des options pour un traitement ultérieur des données et des adaptations pour différentes conditions, qui sont particulièrement appropriées en développant  ou en augmentant des méthodes de calcul. Les concepts et les méthodes qui sont déjà appliqués, ainsi que le logiciel nCode DesignLife, sont également très étendus et offrent un large éventail d’utilisations pratiques.

Fig. 5: nCode GlyphWorks de HBM
Fig. 6: nCode DesignLife de HBM

Votre travail montre d'une manière significative qu'une considération différenciée des phases de déclenchement et de progression des fissures est nécessaire pour pouvoir appliquer l'analyse de résistance à la fatigue basée sur la rupture mécanique des composants. A cet égard, croyez-vous que les jauges optiques aient un sens ?

Naturellement, comme c’est souvent le cas, cela dépend de la spécificité de l'application. Toutefois, c'est une technologie très prometteuse si l’on considère plus précisément la durée de vie et particulièrement le comportement à la rupture des composants ou des structures. Fréquemment, il y a une connaissance insuffisante sur ce sujet, en dépit de l'importance essentielle des jauges à fibre-optiques dans la génération de bases de données pour une conception par calcul, par exemple. Pouvoir intégrer les jauges optiques dans les plastiques en fibre renforcée employés de plus en plus fréquemment maintenant, ou bien dans un environnement haute tension (dans l'électromobilité, par exemple) permet offrir quelques options prometteuses.

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Fig. 7: Fibre OptiMet OMF singlemode de HBM

Pouvez-vous nous donner une idée de votre futur travail de recherche en ce moment ?

Un travail a été mené mais il a toujours un travail à faire dans le domaine de la longévité des raccords jointifs, particulièrement les adhésifs, pour avoir le plus possible de compréhension. Ceci concerne les sujets où il restent des lacunes dans notre connaissance sur les raccords adhésifs, par exemple sur l’analyse de résistance à la fatigue des structures adhésives sous un  chargement multiaxial, mais aussi sur les questions de tenue à la vibration des joints collés, où le niveau de connaissance peut être encore amélioré. Par exemple, le laboratoire Fraunhofer Durability Laboratory de Darmstadt en Allemagne effectue des essais dans ce domaine sur les couches évaluées de l’adhésif en utilisant des adhésifs  dual-cure récemment développés pour les plastiques.

Je peux dire que plus grande partie de mon travail personnel sera à l'avenir consacrée à la durabilité des véhicules complets.

Symposium on Structural Durability in Darmstadt (SoSDiD)

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