Brevet FR2368029A1 — publié le 19780512

La présente invention concerne une machine d'essais de fatigue permettant d'exercer des efforts de traction suivant au moins deux axes de charge coplanaires au plan d d'mle éprouvette généralement en forme de plaque et, notamment, des efforts de traction biaxiaux, perpendiculaires et d'amplitudes différentes. On connaît déjà des machines d1essais permettant de soumettre une éprouvette à des contraintes de traction biaxiale perpendiculaires. Ces machines comprennent des batiks entourant coplanairement et/ou de part et d'autre L'éprouvette. Ces dispositions ne permettent pas des essais successifs sur des éprouvettes de tailles nettement différentes, et rendent délicates la mise en place de dispositifs de mesure spécifiques aux essais de traction. Les moyens .ms en oeuvre pour appliquer les forces axiales de traction à I'éprouvette comprennent des poulies et des câbles ne permettant pas d'éliminer les intéractions des forces axiales selon chacun des axes de charge en raison des raideurs propres aux câbles. Une telle machine d'essais est décrite dans le brevet américain 3.460.379 déposé le 27 décembre 1966. La structure de cette machine permet l'accès à l'une des faces de l'éprouvette mais ne peut appliquer à une éprouvette que des efforts de traction d'amplitude égale suivant deux axes de charge coplanaires perpendiculaires. La sollicitation d'une éprouvette par des forces de traction de grandeurs différentes selon chacun des axes de charge est, par exemple, décrite dans l'article de M.W. PÂRSONS et K J. PASCOE publié dans la revue américaine "Journal of Strain Analysis" aux pages 1 à 9 du numéro 1 de mars 197in Selon cet article, le bâti de la machine d'essais de fatigue est octogonal, creux, coaxial et coplanaire à l'éprouvette. Ce bati supporte suivant chaque axe de charge une unité comprenant deux vérins en opposition et commandés simultanément, de sorte que les quatre vérins engendrent des forces de traction qui ne déplacent pas le centre de l'éprouvette. Les asservissements par paires de vérins suivant chaque axe de charge, qui sont indépendants l'un de l'autre, induisent des contraintes de cisaillement qui se répercutent sur l'amplitude de la charge lors d'essais dynamiques. La machine d'essais de traction biaxiale décrite dans le brevet français 2.194.965 déposé le 4 août 1972 propose, pour remédier à ces contraintes de cisaillement, deux unités coaxiales aux axes de charge comprenant chacune un vérin solidaire du bâti de la machine et dont l'organe mobile est relié à une tete mobile de l'éprouvette, la tête opposée de l'éprouvette suivant l'axe de charge étant reliée au bâti. De manière à découpler les efforts de traction d'un axe de charge des efforts de traction de l'autre axe de charge et à minimiser les moments des forces de flexion dans le plan de l'éprouvette, des moyens mécaniques sont prévus pour guider chaque tête de l'éprouvette perpendiculairement à son axe de charge.Les efforts parasites dus au travail en flexion du bâti et diagonaux aux axes de charge ne sont que partiellement supprimés, puisque les déplacements des moyens mécaniques précités sont respectivement perpendiculaires aux axes de charge. La présente invention propose, pour s'affranchir des inconvénients précités, une machine d'essais de traction découplant totalement les forces de traction exercées suivant au moins deux axes de charge d'une éprouvette au moyen d'ensembles de liaisons flexibles annulant les forces parasites perpendiculaires à un axe de charge et le moment de vecteur perpendiculaire au plan de l'éprouvette lorsque une force de traction est appliquée suivant l'autre axe de charge et inversement. Un autre objet de l'invention est d'essayer des éprouvettes appartenant à une large plage de dimensions et de prévoir un bâti localisé entièrement d'un côté du plan de l'aprouvette. A cet égard, des moyens mécaniques mobiles sont prévus pour relier convenablement les unités de la machine aux têtes de l'éprouvette à essayer. Enfin, un autre objet de l'invention est de solliciter pluriaxialement des éprouvettes suivant des axes de charge coplanaires passant par les centres des éprouvettes afin de mesurer les efforts de traction pluriaxiaux analogues à ceux appliqués en pratique à des structures en treillis. La machine d'essais de fatigue conforme à la présente invention comprend, de manière analogue à celle décrite dans le brevet français précité, un vérin relié à une tête mobile à l'opposé d'une tête sensiblement fixe de l'éprouvette suivait chaque axe de chargeS Elle est caractérisée en ce que chaque ensemble de liaison reliant une tête de l'éprouvette à un vérin ou à un dispositif de mesure des efforts de traction générés par le vérin en vis-à-vis et aligné avec ce dispositif de mesure suivant un axe de charge, comprend un parallélogramme déformable coplanaire à l'éprouvette dont les grands côtés sont constitués par des éléments flexibles perpendiculaire ment audit axe de charge et dont les petits côtés sont reliés respectivement audit vérin, en ce qui concerne l'ensemble de liaison relié à la tête mobile, ou audit dispositif de mesure, en ce qui concerne l'ensemble de liaison relié à la t4te fixe, et à un mors de traction comprenant une cavité de révolution et une lumière perpendiculaire audit axe de charge permettant le libre passage de la tôte de l'éprouvette et la liaison prismatique rigide de cales planes à faces de révolution avec la tête de- l'éprouvette, les faces de révolution desdites cales pouvant tourner à frottement- dans la cavité. Selon d'autres caractéristiques de l'invention, l'assemblage des faces de révolution des cales et des parois de révolution de la cavité est soit cylindrique, soit sphérique. Enfin, selon d'antres caractéristiques de l'invention, la machine d'essais comprend des équerres nervurées coulissant suivant les axes de charge et supportant les vérins et les dispositifs de mesure. L'éprouvette est généralement réalisée comme une -plaque cruciforme comportant sur chacun des axes de charge des t8tes d'amarrage opposées deux à deux et reliées respectivement à l'organe mobile d'un vérin ou à un dynanomètre. Avantageusement, chaque tete est à section trapézoldale et est rendue solidaire d'un mors de traction par l'intermédiaire d'un jeu de cales planes à faces de révolution coopérant avec une cavité de révolution ménagée dans le mors de traction. L'invention sera mieux comprise-à la lecture de la description d'un exemple de réalisation et à l'examen des dessins annexés, dans lesquels - les Figes. 1 et 2 sont respectivement des vues de dessus et de côté ou de face d'une machine d'essais de fatigue conforme à la présente invention - les Figs. 3 et 4 sont des vues de dessus et de côté, partielle -- - axe découplage i - ment en coupe, dwun ensemble de liaison/ mécaniques a un mors ae traction à un vérin ou à un dispositif de mesure selon une variante de l'invention - la Fig. 5 est un schéma montrant le déplacement du centre de l'éprouvette ; et - la Fig. 6 est un autre schéma montrant l'application des forces de flexion sur le bâti de la machine d'essais. Selon un- forme de réalisation préférée de l'invention, on a représenté aux Figs. 1 et 2 une machine d'essais de fatigue pour exercer des forces de traction au long de deux axes de charge 1-1 et 2-2 perpendiculaires et horizontaux d'une éprouvette plane cruciforme 10. Les éléments principaux de cette machine sont schématisés, tandis que certaines articulations et certains moyens de fixation sont localisés par leurs axes et/ou de leurs contours. La bâti 20 de la machine d'essais a une structure cruciforme à profilé en I totalement localisé en dessous du plan horizontal de l'éprouvette 10. La surface supérieure 21 du bâti 20 comporte des portées parfaitement rectifiées localisées sur les bras 22 du bdti 20. Quatre équerres 30 à nervures 31 parallèles aux axes respectifs 1-1 et 2-2 et fixées convenablement sur les portées rectifiées de la surface 21 supportent deux paires de vérins électrohydrauliques 40 et de dynamomètres 50 alignés suivant chaque axe de charge 1-1 ou 2-2.Chaque élément mobile d'un vérin électrohydraulique 40 coulissant parallèlement à un axe de charge et chaque dynamomètre 50 sont reliés respectivement à une tête mobile 11 et à une tête fixe 12 en vis-à-vis de l'éprouvette 10 par llin- termédiaire de deux ensembles identiques de liaison et de découplage mécaniques des efforts de traction dirigés suivant les deux axes de charge. Ainsi, lorsque l'un des vérins 40 est actionné, le bâti 20 travaille en flexion et le dynamomètre 50, aligné sur le même axe de charge que ce vérin, mesure la force de traction ou de charge, à chaque instant, appliquée à l'éprouvette 10 suivant cet axe de charge. Les deux vérins 40 comportent des circuits d'asservissement distincts permettant de commander séparément l'application des forces selon chacun des axes de charge. Ces circuits n'appartenant pas au cadre de l'invention, ne seront pas décrits. Les quatre ensembles de liaison et de découplage mécaniques étant identiques, seul celui reliant une tête fixe 12 à un dynamomètre 90, aligné sur l'axe de charge 1-1 par exemple, est décrit ci-après ^. Comme représenté en détail aux Figs. 3 et 4, un ensemble de liaison et de découplage mécaniques comprend essentiellement deux ensembles de lames flexibles identiques 60 à profilé en I perpendiculaires au plan de l'éprouvette disposés symétriquement par rapport à l'axe de charge respectif, un mors de traction 70 relié à une tête de l'éprouvette 10 et un plateau-support 80 fixé rigidement à un dynamomètre 50 ou à l'élément mobile d'un vérin 40. Chaque ensemble de lames 60 est maintenu par deux colliers de serrage 62. Chaque collier de serrage 62 comprend, de manière connue, deux demi-colliers 63, comme montré par les sections partielles de la Fig. 4, respectivement suivant les lignes a-a et b-b de la Fig. 3 de deux colliers de chaque ensemble de lames. Deux jeux identiques de douilles cylindriques 90 analogues à des goupilles tubulaires élastiques perpendiculaires aux lames 60, au nombre de trois selon l'exemple de réalisation montré à la Fig. 3, traversent les languettes 71 et 81 du mors de traction 70 et du plateau-support 80 et les ensembles de lames 60 comme montré à la Fig. 4 par la section partielle suivant la ligne c-c de la Fig. 3. Les languettes 71 et 81 sont entretoisées rigidement par les lames 60 au moyen ritensembles de serrage comprenant des contre-plaques, écrous et rondelles convenables 92 vissées et coaxiaux aux extrémités de tiges filetées 91 traversant à frottement les douilles élastiques 90.Ces ensembles de serrage 92 s'affranchissant des desserrages des accouplements des lames flexibles 60 avec le mors de traction 70 et avec le plateau-support 80 lors de vibrations engendrées au cours d'essais dynamiques, et comportent par exemple des écrous standards 93 du type Philidas, comme montré à la Fig. 4. Conformément à l'invention, l'ensemble de liaison et de découplage selon l'axe de charge 1-1 coplanaire au plan de l'éprouvette 10 travaille en flexion suivant l'axe 2-2 et en traction suivant l'axe 1-1. il permet de supprimer les efforts parasites dus à des forces de traction exercées suivant l'axe 2-2. En se référant à la Fig. 5 représentant très schématiquement la machine d'essais de fatigue, le centre C de l'éprouvette 10 se déplace diagonalement aux axes de charge vers un point C' du secteur délimité par les vérins 40 lorsque les extrémités mobiles 11 de l'éprouvette sont sollicitées biaxialement en traction suivant les flèches F1 et F2 respectivement parallèles aux axes de charge 1-1 et 2-2. Les axes de charge de l'éprouvette 10 repré- sentés en traits interrompus à la Fig. 5 concourent à un point C' déplacé de l'axe 7-1 lors d'une traction exercée suivant l'axe 2-2 et inversement.Par conséquent, les quatre ensembles de liaison et de découplage du type précédemment décrit minimisent les efforts parasites perpendiculaires à l'axe de charge sollicité en découplant les efforts de traction suivant les deux axes de charge et suppriment totalement le moment vecteur perpendiculaire au plan de l'éprouvette 10, tout en transmettant correctement l'effort de traction exercé suivant l'axe de charge sollicité. Corollairement, les mesures relevées par les dynamomètres 50 sont indépendantes, ce qui permet des mesures précises lorsque les amplitudes des efforts de traction suivant les deux axes de charge sont différentes. En addition, les ensembles de lames flexibles constituant les ensembles de liaison et de découplage n1 ont pas un caractère limitatif, et tout autre parallèlogramme déformable, comme celui constitué par deux biellettes zrticulées perpendiculairement au plan de l'éprouvette dans les corps des mors de traction et des plateauxsupports, reste dans le cadre de la présente invention. En se référant à nouveau aux Figs. 3 et 4, le mors de traction 70 comprend conformément à une première variante de l'invention, parallèlement à l'axe de charge 2-2, une cavité en partie formée d'un alésage cylindrique 72 ouvert latéralement par une lumière 73 formant ainsi deux bras symétriques 74 et 75 permettant le libre passage de la tête 12 de l'éprouvette 10 à travers la lumière 73. Comine montré à la Fig. 3 et, plus précisément, par la section partielle de la tête de l'éprouvette suivant la ligne 1-1 de la Fig.4, les sections de têtes de l'4nrouvette 10 sont conformées selon un trapèze isocèle. Chaque tête est liée à un mors de traction 70 à l'aide de deux cales 76 planes à faces cylindriques disposées symétriquement contre le paroi de l'alésage 72. Les cales 76, dont les faces planes s'appuient sur les faces inclinées de la tête 12, permettent à l'éprouvette 10 un mouvement circulaire autour de l'axe de l'alésage 72 grâce à leurs faces cylindriques totalement en contact à frottement avec la paroi de l'alésage 72. On supprime tout risque d'acartement des extrémités des bras 74 et 75 du mors de traction 70 gracie à deux tiges 77 munies d'écrous 78, comme montré à la Fig. 3 par la section partielle suivant la ligne d-d de la Fig. 4. Les assemblages prismatiques et cylindriques du type précédemment décrit annulent les contraintes gênantes dues aux grippages des têtes de l'éprouvette dans les mors de traction et affranchissent la machine d'essais des efforts parasites dus aux déplacements verticaux éventuels par rapport à un axe de charge des axes du vérin et du dynamomètre d'une part, et des deux équerres respectives d'autre part. Conformément à une seconde variante de l'invention, la cavité 72 de chaque mors de traction 70 est en partie sphérique autour d'un point appartenant à l'axe de charge 1-1. Chaque tête de l'éprou- vette 10 est reliée à un mors de traction à l'aideXde deux cales - a rrottemen planes à faces sphériques (non représentées) coopérant/avec la partie sphérique de la cavité 72 et formant une rotule partielle. a addition, la machine d'essais de fatigue de l'invention 8'adapte aux dimensions des éprouvettes en munissant chaque équerre 30 d'une languette longitudinale 32 à la partie inférieure de son socle 33 propre à coulisser dans une rainure 23 pratiquée dans le bras 22 respectif du bâti 20 parallèlement à l'axe de charge, comme montré à la Fig. 2. Bien entendu, les rainures 23 du bati et les languettes 32 des équerres sont usinées avec une grande précision afin d'aligner précisément les axes du vérin et du dynamomètre en vis-à-vis sur un axe de charge. Des vis traversant des trous ou lumières au long des rainures 23 des bras 22, vissées dans les socles 33 des equerres 30, fixent rigidement les équerres 30 sur le bati en fonction des dimensions de l'éprouvette 10. Conformément à l'invention, les alignements respectifs des axes de charge avec les éléments supportés par les équerres sont réglés et ajustés au moyen, par exemple, d'une fausse éprouvette supportée coaxialement en son centre par un cylindre plein dont les extrémités présentent deux doigts s'embcitant dans les alésages centraux 24 de la fausse éprouvette et de la partie supérieure du bâti. On notera que les nervures 31 des équerres 30, respectivement parallèles aux axes de charge, minimisent les forces de flexion exercées sur les côtés verticaux 34 des équerres 30 et sur le bâti 20 pr les poids des éléments supportés par les équerres et par les forces de traction exercées lors des essais de fatigue. Le moment de flexion B de ces forces ss a une valeur indépendante des dimensions L des éprouvettes et égale au produit du module des forces F par la distance moyenne d entre la structure du bâti et les axes de charge 1-1 et 2-2, comme montré schématiquement à la Fig. 6. En addition, les efforts parasites dus à ces forces de flexion sont supprimé s par la rotation du mors de traction 70 autour des cales 76. Selon une autre forme de réalisation, analogue à celle précédemment décrite, les axes de charge 1-1 et 2-2 sont obliques l'un par rapport à l'autre et définissent deux directions de charge ou de traction propres à des conditions particulières de sollicitation biaxiale des éprouvettes, en référence à celle exercée sur des poutres en treillis. Plus généralement, selon une autre forme de réalisation, la machine d'essais de fatigue conforme à 1'invention combine les réalisations précédentes. A cette fin, le bgti a une structure en forme de disque sur lequel est montée coaxialement une plaquesupport à rainure cylindrique permettant le coulissement et le guidage d'un nombre déterminé de chariots porteurs chacun d'une équerre. Chaque équerre coulisse au long d'une rainure diamétrale d'un chariot analogue à celles susmentionnées. Ainsi, des efforts de traction pluriaxiaux d'amplitudes différentes suivant au moins deux axes de charge faisant un angle quelconque, peuvent être appliqués à des éprouvettes de dimensions quelconques. Toutes ces formes de réalisation de la présente invention permettent une accessibilité totale au-dessus d'une table rainurée solidaire de la surface centrale supérieure du bati de la machine afin de fixer, soit des dispositifs spécifiques aux essais dynamiques ou statiques comme par exemple des moyens de chauffage de l'éprouvette, des capteurs de déplacement capacitifs, soit des dispositifs d'observation microscopique du centre de ltéprouvette. EXEMPLE. Les demandeurs ont réalisé une machine d'essais de traction biaxiale analogue à celle représentée aux Figs. 1 et 2 et présentant les caractéristiques suivantes : -encombrement dans le plan horizontal du bâti à structure cruciforme à profilé en I : 2 m x 2 m et poids du bati : 1700 kg; -diamètre de l'alésage et dimensions d'un mors de traction 0,1 m et 0,15 m x 0,13 m x 2,10 ni -ensemble de lames en tôle d'acier d'épaisseur 0,5 mm et de section 0,36 m x 0,15 m -douilles élastiques en acier traité à 150 kg/mm2 de diamètres intérieur et extérieur 16 mm et 25 mm Une telle machine permet de soumettre des eprouvettes à des sollicitations de traction biaxiales de valeur constante maximale égale à 2.105 N ou de valeur périodique égale à 1,6.105 N à une fréquence de 10 Hz. REVENDICBTIONS 1 - Machine d'essais de fatigue permettant d'exercer des efforts de traction suivant au moins deux axes de charge coplanaires d'une éprouvette, ladite machine comprenant, de manière analogue et alignés suivant chaque axe de charge, un vérin, un dispositif de mesure des efforts de traction engendrés par ledit vérin, et deux ensembles de liaison reliés respectivement à une tête mobile entraînée par ledit vérin et à une tête sensiblement fixe de l'éprouvette alignées suivant ledit axe de charge, carac- térisée en ce que chaque ensemble de liaison d'une tête comprend un parallélogramme déformable coplanaire à l'éprouvette dont les grands côtCs sont constitués par des éléments flexibles perpendiculairement audit axe de charge et dont les petits côtes sont reliés respectivement audit vérin, en ce qui concerne l'ensemble de liaison relié à la tête mobile, ou audit dispositif de mesure, en ce qui concerne l'ensemble de liaison relié à 1 tête fixe, et à un mors de traction comprenant une cavité de révolu-tion et une lumière perpendiculaire audit axe de charge permettant le libre passage de ladite tête de l'éprouvette et la liaison prismatique rigide de cales planes à faces de révolution avec ladite ttede l'éprouvette, les parois de révolution desdites cales pouvant tourner à frottement dans ladite cavité. 2 - Machine d'essais conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que les faces de révolution desdites cales et des parois de la cavité de révolution sont cylindriques suivant un axe coplanaire à l'éprouvette et perpendiculaire audit axe de charge 3 - Machine d'essais conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que les faces de révolution desdites cales et des parois de la cacité de révolution sont sphériques autour d'un point appartenant audit axe de charge. 4 - Machine d'essais conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les éléments flexibles des grands côtés du parallélogramme déformable comprennent un ensemble de lames flexibles juxtaposées parallèlement à l'axe de charge. 5 - Machine d'essais conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, c-ractérisée en ce qu'elle comprend un btti localisé entièrement d'un côté du plan de l'éprouvette. 6 - Machine d'essais conforme à la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend, suivant chaque axe de charge, en vis-à-vis deux équerres nervurées parallèlement à l'axe de charge et fixées de chaque côté de l'éprouvette rigidement sur le bâti de ladite machine pour supporter ledit vérin et ledit dispositif de mesure, ledit bâti travaillant en flexion. 7 - Machine d'essais conforme à la revendication 6, caractérisée en ce que le bâti comprend des rainures parallèles aux axes de charge au long desquelles coulissent les équerres. 8 - Machine d'essais conforme à la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de coulissement des équerres au long des axes de charge et circulairement autour du centre de I'éprouvette. 9 - Machine d'essais conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le bâti est cruciforme lorsque les efforts de traction sont exercés suivant deux axes de charges uniques. 10 - Machine d'essais conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le bâti de ladite machine d'essais a une structure à profilé en I. 11 - Procédé d'assemblage d'une tête d'éprouvette à un mors de traction d'une machine d'essais de fatigue conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque tête de l'éprouvette étant conformée selon un profil à section trapézoldale, on assemble à frottement des cales planes à faces de révolution contre des parois de révolution d'une cavité ouverte longitudinalement du mors de traction, ladite cavité étant axée perpendiculairement à l'axe de charge de ladite tête et coplanairement au plan de l'éprouvette et on réalise un assemblage prismatique des faces planes des cales avec la tête de 1' éprouvette. 12 - Procédé conforme à la revendication 11, caractérise en ce que l'assemblage des cales et de la cavité est cylindrique. 13 - Procédé conforme à la revendication 11, caractérisé en ce que l'assemblage des cales et de la cavité est sphérique.