Brevet FR2541770A1 — publié le 19840831

I1 est fait usage, pour les essais de fatigue ou de fissuration des matériaux, de machines comportant un générateur de force ou de déplacement. Ces grandeurs sont le plus souvent des fqnctions sinu soidales du temps. Les machines d'essais peuvent etre hydrauliques ou électro-mécaniques. Dans ce second cas, le générateur périodique de force ou de déplacement fonctionne en résonance, ce qui permet une importante économie d'énergie par rapport aux machines hydrauliques. Dans les réalisations actuelles des machines électromécaniques résonnantes d'essais de fatigue et de fissuration des matériaux, ltéprou- vette présente deux points de fixation : L'un est relié au bâti de la machine, par l'intermédiaire ou non d'un capteur de force, et l'autre est relié à une masse mobile dans la direction déterminée par ces deux points de fixation. Cette masse mobile est reliée au bâti de la machine par un ressort, et reçoit une force périodique d'entretien de la vibration d'un électro-aimant ou d'une bobine mobile dans un champ magnétique. Le point d'attache du ressort au bâti est réglable sur la trajectoire définie par les deux points de fixation de l'éprouvette, en en vue de superposer un chargement statique au chargement dynamique de ltéprouvette. La raideur de l'éprouvette, dans la direction définie par ses deux points de fixation, intervient donc directement dans la fréquence de fonctionnement de la machine, puisque celle-ci correspond à la premiere fréquence propre du système mécanique constitué par l'éprouvette, la masse mobile, le ressort, le bâti, les éléments de liaison du bâti au sol ou au massif de fondation sur lequel la machine est placée. Les fréquences habituelles utilisées pour les essais, qui stéchelon- nent de quelques dizaines à quelques centaines de cycles par seconde, exigent alors des masses mobiles de plusieurs centaines de kilogrammes, et des bâtis et massifs de fondation lourds, encombrants et coûteux. -?ar ailleurs, sur ces machines, le bâti est affecté d'une vibration dont l'amplitude est d'autant plus grande que l'on cherche à alléger ce bâti. I1 en résulte une nuisance acoustique inacceptable sans une insonorisation coûteuse du local. ta présente invention concerne un dispositif générateur périodique de force ou de déplacement, électromagnétique et résonnant, utilisable en particulier pour les machines d'essais de fatigue et de fissuration des matériaux, et dynamiquement équilibré, -et qui ne fait pas intervenir dans son fonctionnement la masse du bâti de la machine, lequel bâti ne subit aucune vibration. -Le dispositif selon l'invention permet en outre de diminuer le poids et l'encombrement des masses mobiles, pour une raideur d'éprouvette et une fréquence de fonctionnement données. Ce dispositif permet également de diminuer le coût de fabrication des lames élastiques constituant le ressort mentionné ci-dessus. Dans le dispositif générateur de force ou de déplacement, objet de la présente invention, la masse intervenant dans le système mécanique vibratoire résonnant est dissocie en plusieurs éléments, dénommés ci-après masselottes, dont l'ensemble présente une symétrie géométrique et cinématique telle que la résultante et le moment résultant des forces d'inertie sur l'ensemble des masselottes soient nuls. De plus, dans la présente invention, les amplitudes de déplacement des parties les plus massives des masselottes sont supérieures à l'amplitude du déplacement du point mobile de fixation de l'éprouvette.La -masse totale nécessaire es masselottes est alors inférieure a la masse unique qui, fixée directement en extrémité d'éprouvette, serait nécessaire pour l'entretien de la vibration à la fréquence voulue et pour une même raideur de l'éprouvette. Dans le mode de réalisation représenté en figure 1, l'un des points de fixation de l'éprouvette I est lié à un plateau mobile 3 qui vibre en translation dans la direction indiquée par les flèches 49 suivant la trajectoire rectiligne définie par les deux points de fixation de l'éprouvette. Cette liaison peut être fixe ou réglable suivant cette même trajectoireS en vue de superposer un chargement statique au chargement dynamique de l'éprouvette. te plateau mobile est guidé par des éléments de suspensionS au nombre de trois au minimum. Dans la figure 1, on a représenté deux de ces éléments de suspensionS disposés symétriquement par rapport à l'axe 5 défini par les deux points de fixation de 1'éprouvette, lequel axe sera nommé ci-aprés axe de l'éprouvette. Chacun de ces éléments de suspension comprend deux lames élastiques 6 et 7 et une masselotte 8. La lame élastique 6 est reliée, par une- de ses extrémités9 au plateau mobile 3, et, par l'autre extrémitéS a la masselotte 8. L'autre lame élastique 7 est reliée9 par une de ses extrémitéS à la masselotte 8, et, par l'autre extrémité, à un support 9 qui peut être fixé au bâti de la machine, ou qui peut être réglable en translation suivant la direction de l'axe de l'éprouvette. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 2 les éléments de suspension, au nombre de quatre, sont identiques et disposés de façon symétrique par rapport à l'axe de l'éprouvette. Dans ce même mode de réalisation, chaque lame élastique a une forme générale plane et un contour rectangulaire, et l'un des axes de ce rectangle est parallèle å l'axe de l'éprouvette Les deux chants c et d de la lame élastique 6 proche de l'axe de l'éprouvette sont libres. Le chant e de la même lame est encastré dans le plateau mobile 3, et le chant f de la même lame est encastré dans la masselotte 8. Les deux chants g et h de la lame 7 éloignée de l'axe de l'éprouvette sont libres. Le chant i de cette lame est encastré dans la masselotte 8 et le chant j de la même lame est encastré dans le support 9. Les deux lames du même élément de suspension sont disposées parallèlexent, l'une en face de l'autre, et sont donc reliées entre elles par la masselotte de cet élément de suspension.Les centres géométriques des rectangles des deux lames d'un même élément de suspension, et le centre de gravité de la masselotte du même élément de suspension sont situés sur une même -perpendiculaire à l'axe de l'éprouvette. il en résulte que le centre de gravité de cette masselotte se déplace en première approximation et pour les petits mouvements, parallèlement à cet axe. ta projection, sur la perpendiculaire aux plans des deux lames d'un même élément de sur pension, de la résultante des forces d'inertie sur la masselotte est donc nulle en première approximation. Les lames sont donc sollicitées en flexion et en traction-compression, avec un effort tranchant négligeable.Les déformées des fibres neutres de ces lames restent donc sensiblement circulaires et chaque lame peut alors être considérée, du point de vue cinématique, pour les petits mouvements, comme une articulation autour de celui des deux axes du rectangle délimitant cette lame qui est perpendiculaire à l'axe de l'éprouvette. La figure 3 met en évidence, en les amplifiant, les déformations des lames et les déplacements concomitants du plateau mobile et des masselottes. Ainsi, le mouvement de translation du plateau mobile se traduit par un mouvement de chaque masselotte équivalent en première apprpximation a une rotation autour d'un axe fixe perpendiculaire a l'axe de l'Eprou- vette. Les formes, dimensions et dispositions relåtives des masselottes sont telles que le moment resultant des forces d'inertn sur l'ensemble des masselottes soit nul. Dans le mode de réalisation représenté a la figure 2, ce résultat est obtenu en disposant les quatre éléments de suspension, tous identiques, de façon symétrique par rapport à l'axe de l'éprouvette. Les formes, dimensions et dispositions relatives des masselottes sont également telles que le centre de gravité de l'ensemble inertiel constitué par les masselottes et le plateau mobile reste fixe, de manière à rendre nulle la résultante des forces d'inertie sur ces éléments mobiles. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 1, ce résultat est obtenu si l'on respecte la relation suivante: a.m2 = bm1 m1 est la masse du plateau mobile. m2 est la masse totale des masselottes. a est la distance du centre de gravité G d'une masselotte au plan médian de la lame la plus éloignée de l'axe de l'éprouvette. b est la distance entre les plans médians des deux lames d'un même élément de suspension. ta nullité de la résultante et du moment résultant des forces d'inertie sur l'ensemble des masses mobiles se traduit par la nullité des forces dynamiques transmises au bâti et, en conséquence, par l'absence de vibration parasite de ce bâti. D'autre part, la matière constituant chaque masselotte est répartie de telle manière que le rayon de giration de cette masselotte par rapport à l'axe instantané de rotation de cette masselotte soit relativement grands comparé à la distance séparant les deux lames qui constituent, avec cette masselotte, un des éléments de suspension. Les courses des parties massives des masselottes sont donc grandes par rapport à la course du plateau mobile. L'application des théorèmes généraux de la mécanique rationnelle montre que, dans ces conditions, l'ensemble inertiel constitué par les masselottes peut être remplacé par une masse fictive unique liée au plateau mobile, cette masse fictive pouvant être plus grande que la masse totale des masselottes. Cette masse fictive m peut être calculée en considérant le modèle simplifié représenté à la figure 4j équivalent pour le comportement inertiel, et valable en première approximation pour les petits déplacements: /b2 m2 est la masse totale des masselottes. r est le rayon de giration de chaque masselotte par rapport à son axe instantané de rotation 0. b est la distance entre les plans médians des deux lames d'un même élément de suspension. La possibilité de choisir le rapport r/b permet d'alléger considérablement les masses mobiles de la machine > par rapport aux machines conven tonnelles et pour des fréquences de fonctionnement et raideurs d'éprouvette égales. D'autre part, dans le mode de réalisation- représenté à la figure 2, l'ensemble élastique constitué par les éléments de suspension présente une direction de raideur minimale, parallèlement à l'axe de léprou- vette. Perpendiculairement à cet axe, les raideurs de ce système élas tique sont considérablement plus grandes du fait de la forme plane et rectangulaire donnée aux lames et de la disposition symétrique des quatre éléments de suspension utilisés dans ce mode de réalisation. Cette caractéristique de raideur transversale élevée est acquise pour tous les modes de réalisation comprenant au moins trois -éléments de -suspension, disposés dentelle sorte que les lames élastiques de ces éléments de suspension ne soient pas toutes parallèles. Les raideurs angulaires de l'ensemble élastique constitué par les éléments de suspension sont également très grandes, et ceci dans toutes les directions, ce qui permet de garantir la bonne qualité cinématique du guidage que constitue cet ensemble élastique, et, en conséquence, l'absence de sollicitations parasites induites dans l'éprouvette par des composantes parasites éventuelles du mouvement du plateau mobile. En plus de la fonction de guidage et de transformation du mouvement de translation du plateau mobile en mouvement de rotation des masse lottes, les lames élastiques des éléments de suspension interviennent pour transmettre t l'éprouvette un chargement statique éventuel. Cette multiplicité de fonctions est obtenue en utilisant des lames de forme simple, de faibles dimensionss et dont le coût de fabrication est très réduit, en comparaison avec les ressorts de formes complexes qui doivent être utilisés dans les machines conventionnelles.Dans le mode de réalisation représenté à la figure 1, l'électro-aimant 10 ou le générateur de force à bobine mobile assurant l'entretien des oscillations est placé dans l'espace compris entre les éléments de suspension, en vue de limiter l'encombrement de la machine. D'autre part, on peut remarquer que le générateur de force ou de depla- cément objet de la présente invention comporte, contrairement aux dispositifs conventiounels peu de surface qui vibrent perpendiculairement à elles-mêmes et qui9 de ce fait, sont génératrices de sons. La présente -ñvention? appliquée en particulier aux machines d'essais de fatigue et de fissuration des matériausS permet donc d'en diminuer le poids, l'encombrement, le coat de fabrication, ainsi que la nuisance acoustique qu'elles provoquent REVENDICATIONS 1- Dispositif générateur de force ou de déplacement en translation rectiligne, électromécanique, résonnant, pouvant être utilisé dans les machines d'essais de fatigue et de fissuration des matériaux, caractérisé en ce que les masses intervenant dans le phénomène de résonance ne sont pas liées directement à l'organe de transmission de la force ou du déplacement à l'éprouvette > mais lui sont reliées par l'intermédiaire de lames élastiques disposées de telle sorte que les mouvements de ces masses comportent au moins une composante de rotation. 2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que certains points des masses mobiles ont un déplacement linéaire plus grand que celui de l'organe de transmission de la force ou du déplacement à l'éprouvette, en vue d'alléger le générateur, pour une même raideur du générateur suivant la trajectoire de cet organe de transmission et pour une même fréquence de fonctionnement en résonance. 3- Dispositif selon la revendication 1 > caractérisé en ce que, en vue de guider les masses intervenant dans le phénomène de résonance et de communiquer à ces masses un mouvement de rotation, chacune de ces masses est reliées d'une part à l'organe de transmission de la force ou du déplacement à l'éprouvette > d'autre part au bâti de la machine ou à un support éventuellement réglable mais fixé à ce bâti lorsque le dispositif est utilisé, par des lames plastiques, de forme générale plane, et disposées parallèlement à la trajectoire rectiligne de l'organe de transmission de la force ou du déplacement à l'éprouvette. 4- Dispositif selon l'une quelconque des revendications prEcEdentesf caractérisé en ce que, en vue d'éliminer la transmission d'efforts dynamiques au bâti et les vibrations de ce bâti et la nuisance acoustique qui en résulteraient, les masses intervenant dans le phénomène de résonance sont disposées de telle sorte que les forces d'inertie dûes aux mouvements de ces masses s'équilibrent.