Brevet FR2556833A1 — publié le 19850621

Appareil pour détecter l'apparition de fissures ou de fractures dans des eléments structurels et des composants mécaniques. L'invention concerne un appareil pour détecter l'apparition de fissures ou de fractures dans des éléments structurels et des composants mécaniques. Les récentes expériences en mer du Nord et que ailleurs montrent/les catastrophiques défaillances des installations pétrolieres ou des pieds de plateformes de forage ont été précédées par le développement de fissures ou de fractures de grande ampli tude dans les éléments structurels. Les inspections régulieres au moyen de méthodes visuelles directes ou indirectes sont laborieuses, longues et onéreuses. Ces problèmes s'aggravent encore lorsque l'élément structurel est immergé a des profondeurs allant jus qu'à 200 metres. C'est ainsi qu'on a essayé de mesurer les efforts subis par de telles structures en utilisant des jauges de contrainte fixées au moins aux éléments de la structure supportant les plus gros efforts, mais un inconvénient inhérent à ce système est la nécessité d'une source d'énergie électrique pour son fonctionnement. Si l'énergie électrique est fournie par une source située au-dessus de la surface de l'eau, la difficulté particulière va être de trouver une protection adéquate contre les infiltrations d'eau dans le câblage électrique, notamment à l'en- droit des joints au-dessous de la surface de l'eau. Une batterie d'alimentation, fixée à la structure près des jauges de contrainte résout partiellement le problème en ce qui concerne l'alimentation des jauges mais les signaux électriques émis par les jauges doivent encore être transmis à la surface pour amplification et affichage. En outre, les batteries ont une vie limitée et doivent être changées de temps en temps, ce qui nécessite l'intervention de plongeurs. Des problèmes analogues se posent pour la détection de l'apparition de fissures dans les structures et les composants mécaniques en aéronautique. Les inspections visuelles ne sont possibles que lorsque l'appareil est à l'arrêt au sol et il arrive souvent que les zones de la structure qui subissent des efforts élevés soient inaccessibles pour une inspection visuelle. En outre, il est souhaitable d'avoir des moyens de signalisation de l'apparition d'une fissure en cours de vol. Tout appareil de détection qui repose sur l'énergie électrique nta que la fiabilité- du système électrique et tout défaut de fonctionnement de ce système peut conduire à l'arrêt inutile d'un vol opérationnel. L'invention vise un appareil perfectionné pour la détection de l'apparition de fissures ou de fractures dans des éléments structurels et des composants mécaniques. L'invention vise également un tel appareil de fiabilité améliorée grâce à un moindre recours à 1' énergie électrique. A cet effet, l'appareil pour la détection d'une fissure dans un élément structurel ou un composant mécanique comprend une fibre optique agencée de manière à pouvoir être fixée sur la structure ou le composant et une source de lumière autolumineuse pouvant être disposée à l'une des extrémités de la fibre optique de façon que la lumière émise par la source lumineuse se transmette le long de la fibre optique pour donner une indication de l'intégrité de l'élément ou du composant par émission à l'extrémité opposée de la fibre optique. L'apparition d'une fissure dans une partie quelconque de l'élément structurel ou du composant mécanique sur lequel la fibre optique est fixée provoque une fracture de la fibre optique de sorte que la lumière émanant de la source auto-lumineuse va cesser d'être émise par l'extrémité opposée de la fibre optique, fournissant ainsi une indication de l'apparition d'une fissure. Cette extrémité opposée de la fibre optique peut être présentée à l'observation visuelle mais elle est plus avantageusement associée à un détecteur photosensible tel qu'une cellule photo-électrique qui est excitée par la lumière émise pour produire un signal électrique. Le signal électrique peut être fourni à un circuit électrique qui l'amplifie de façon appropriée et l'utilise pour maintenir ouvert un relais qui, une fois fermé, actionne un signal d'alarme optique ou sonore. La source de lumière auto-lumineuse peut être du type comprenant un corps en verre creux scellé présentant un revêtement intérieur au phosphore rendu luminescent par un radionucléide gazeux enfermé dans le corps en verre creux. Une telle source lumineuse est par exemple vendue par la Société dite Saunders-Roe Developments Limited de Millington Road, Hayes, Middlesex, Angleterre, sous la dénomination commerciale de "Betalight. La source auto-lumineuse peut être montée sur l'élément structurel ou sur le composant mécanique à celle des extrémités de la fibre optique qui se termine sur l'élément ou le composant. En variante, la source auto-lumineuse peut être montée à celle des extrémités de la fibre optique qui est la plus éloignée de l'élément ou du composant. De façon analogue, lorsqu'on utilise un photodétecteur pour détecter la lumière à l'extrémité opposée de la fibre optique, ce photo-détecteur peut être monté sur l'élément ou sur le composant à l'une des extrémités de la fibre optique et connecté à un amplificateur éloigné de l'élément ou du composant, ou en variante, le photo-détecteur peut être monté à l'extrémité de la fibre optique la plus éloignée de l'élé- ment ou du composant. Une même source lumineuse peut fournir de la lumière à plusieurs fibres optiques fixées à l'élément structurel ou au composant mécanique.- La fibre optique peut être fixée de manière à s'étendre parallèlement au trajet des efforts principaux subis par l'élément de structure ou le composant mécanique, ou elle peut être enroulée autour de l'élé- ment ou du composant à la manière d'un serpentin. Lorsque la fibre optique est fixée à un élé- ment structurel qui fait partie d'une installation de forage ou d'une structure analogue partiellement immergée, la fibre optique peut être fixée à l'élément structurel par un liant à base de mastic ou par une substance analogue, à intervalles réguliers le long de l'élément structurel avant mise en peinture de la structure. La peinture utilisée pour de telles structures et appliquée ultérieurement est suffisamment ductile pour recouvrir complètement la fibre optique et la lier effectivement à la surface de l'élément structurel. La présente invention s'applique egalement aux éléments structurels ou composants réalisés dans des matériaux composites et comportant une ou plusieurs fibres optiques noyées dans l'élément ou le composant, chaque fibre optique ayant l'une de ses extrémités disposée de manière à recevoir la lumière émise par une source de lumière auto-lumineuse et son extrémité opposée disposée de façon à diriger la lumière transmise le long de la fibre optique sur des moyens photosensibles afin de fournir une indication sur l'intégrité de l'élément ou du composant.A titre d'exempleS une pale composite de rotor principal d'hélicoptère peut comporter une pluralité de fibres optiques noyées dans le matériau composite, l'une des extrémités de chaque fibre optique étant agencée de manière à recevoir de la lumière d'une ou plusieurs sources de lu mière auto-lumineuses montées à la pointe de la pale, un ou plusieurs photo-détecteurs étant montés de ma nière à recevoir la lumière de l'extrémité opposée des fibres optiques qui se terminent au pied de la pale ou à son voisinage. Dans les applications à l'aéronautique, le dispositif suivant la présente invention peut être utilisé pour la surveillance de toutes les zones critiques de l'appareil. Par exemple, en cas d'application à un hélicoptère, les fibres optiques et les sources lumineuses autonomes peuvent être associées aux pales du rotor principal, auxpales du rotor de queue, aux éléments structurels de montage des moteurs et de la transmission, et aux zones qui subissent des efforts considérables comme les structures de la cabine et du cône de queue. Le signalement de l'apparition d'une fissure dans l'un quelconque de ces éléments ou zones s'affiche alors sur le tableau de bord du pilote ou lui est fourni par un signal sonore. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre et à l'examen des dessins annexés qui représentent, a titre d'exemples non limitatifs, plusieurs modes de réalisation de l'invention. La figure 1 représente l'appareil suivant l'invention dans son application à la détection de fissures dans un élément structurel. Les figures 2, 3, 4 et 5 montrent divers modes de réalisation de l'appareil suivant l'invention dans son application à la détection de fissures dans l'élément structurel tubulaire. La figure 6 représente l'appareil suivant l'invention dans son application à la détection de fissures dans une poutre ayant une section en H. La figure 7 est une vue en coupe transversale d'une pale de rotor principal d'hélicoptère, faite de matériaux composites et dans laquelle-est incorporé un appareil suivant l'invention. La figure 8 est une vue en plan des deux portions d'extrémités opposées de la pale de rotor principal de la figure 7 dont le longeron est en partie arraché pour laisser apparaitre les fibres optiques noyées dans le longeron. Sur la figure 1, on a représenté un élément structurel allongé 11 sur lequel une fibre optique 12 est fixée parallèlement à l'axe longitudinal de l'élE- ment 11 au moyen d'une substance appropriée telle qu'un enduit au mastic (non représenté), appliquée à intervalles réguliers sur la longueur de -- la fibre optique avant peinture de l'élément structurel 11. Une source lumineuse autonome 13, constituée de préférence par un corps en verre creux revêtu intérieure- ment d'une couche de phosphore amené à luminescence par la présence d'un radionucléide gazeux scellé à l'intérieur du corps en verre creux, est montée sur l'élément structurel 11, près de l'une des extrémités de la fibre optique 12, de façon que la lumière émise par la source 13 soit dirigée sur l'extrémité de-la fibre 12. Un détecteur photosensible 14, tel qu'une cellule photoélectrique, est monté sur l'élément structurel 11, à l'autre extrémité de la fibre optique 12, de manière à recevoir la lumière transmise le long de la fibre optique 12 par la source lumineuse 13 et émise par l'extrémité opposée.Le détecteur photosensible 14 est excité par cette lumière pour produire un signal électrique qui est fourni à un amplificateur 15 dont la sortie est reliée à un dispositif d'alarme 16 ; par exemple, la sortie de l'amplificateur peut être utilisée pour alimenter un relais de façon qu'en l'absence de signal lumineux il n'y ait pas d'alimentation électrique par la sortie de l'amplificateur et que le relais se réenclenche pour actionner un signal d'alarme tel qu'un signal sonore. Ce mode de réalisation convient bien pour la détection de fissures se propageant transversalement dans l'élé- ment structurel 11. La figure 2 représente une partie d'un élément structurel tubulaire 21 de section transversale circulaire autour de la surface externe duquel est fixée circonférentiellement une fibre optique 22. Les extrémités de la fibre optique sont disposées de manière à se chevaucher légèrement et une source lumineuse autonome 23 est montée sur l'élément structurel à l'une des extrémités de la fibre optique 22 tandis qu'un détecteur photosensible 24 est monté sur l'élément 21 à l'extrémité opposée de la fibre optique 22. Comme pour le mode de réalisation de la figure 1, un signal électrique fourni par le photodétecteur 24 est transmis à un amplificateur dont la sortie est utilisée pour actionner un dispositif avertisseur de sécurité 26. Ce mode de réalisation peut être utilisé pour la détection de fissures se propageant sur la longueur de l'élément 21, sensiblement parallèlement à son axe longitudinal. La figure 3 représente un élément structurel tubulaire 31 de section transversale circulaire sur la surface extérieure duquel upe fibre optique 32 est enroulée hélicordalement. L'une des extrémités de la fibre optique 32 est adjacente à une source lumineuse autonome 33 et son extrémité opposée est adjacente à un détecteur photosensible 34. Comme dans les modes de réalisation précédents, un signal électrique émis par le détecteur photosensible 34 est fourni à un amplificateur 35 dont la sortie est utilisée pour actionner un mécanisme de sécurité 36.La principale application de ce mode de réalisation consiste dans la détection de fissures se propageant sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal de l'élément 31 toutefois, si la fibre optique est enroulée serré, elle peut également détecter les fissures se propageant transversalement dans l'élément 31. La figure 4 représente un mode de réalisation analogue à celui de la figure 3, dans lequel une seule fibre optique 42 est enroulée autour de la surface extérieure d'un élément structurel 41 de ma nière à s'étendre sur au moins une partie de sa longueur. Toutefois, dans le mode de réalisation de la figure 4, chaque spire de la fibre optique 42 est reliée à la spire suivante par une portion 43 de la fibre optique qui s'étend sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal de l'élément structurel 41. Là encore, l'une des extrémités de la fibre optique 42 se termine près d'une source lumineuse autonome 44, tandis que son autre extrémité se termine près d'un détecteur photosensible 45.Dans ce mode de réalisa tion, la disposition de la fibre optique assure la détection de fissures se propageant soit transversalement soit longitudinalement dans l'élément structurel 41. La figure 5 représente un élément structurel tubulaire 51 de section transversale circulaire autour de la circonférence de la surface extérieure duquel sont enroulées deux fibres optiques 52 et 53 espacées l'une de l'autre sur sa longueur. L'une des portions d'extrémité de chaque fibre optique 52 et 53 respectivement est recourbée de manière à se terminer de façon adjacente a une source lumineuse autonome commune 54 montée sur l'élément structurel 51. Les extrémités opposées des fibres optiques 52 et 53 se terminent respectivement de façon adjacente à des détecteurs photosensibles individuels 55 et56, respectivement. Un signal électrique émis par le détecteur photosensible 55 est fourni à un amplificateur 57 tandis que le signal émis par le détecteur photosensible 56 est fourni à un amplificateur 58. La figure 6 représente une poutre 61 de section en forme de H. Une fibre optique 62 s'étend d'une extrémité de la poutre 61 sur la longueur de la poutre, à la jonction entre l'ame de la poutre et l'une de ses joues. A l'extrémité opposée de la poutre 61, la fibre optique s'étend transversalement sur l'amie de la poutre et revient le long de la poutre a la jonction entre l'âme de la poutre et sa joue opposée. Une source lumineuse autonome 63 est montée sur la poutre 61 à l'une des extrémités de la fibre optique 62 et un détecteur photosensible 64 est disposé à l'opposé sur l'autre extrémité de la fibre optique 62. Un signal électrique émis par le détecteur 64 est transmis à un amplificateur 65. La figure 7 est une vue en coupe transversale d'une pale 71 de rotor principal d'hélicoptère qui comprend un longeron 72 qui supporte la charge principale et une structure carenée de bord de fuite 73. Le longeron 72 est constitué par des couches composites de carbone et de fibres de verre imprégnées de résine. Au cours de la fabrication du longeron 72 lors de l'application des couches composites de fibres de verre et de carbone, des fibres optiques 74 sont disposées entre les couches de manière à s'étendre sur la longueur du longeron, du pied de pale 75 à sa pointe 76. Comme représenté sur la figure 8, à la pointe 76 du longeron 72, l'extrémité de chaque fibre optique 74 est agencée de manière à recevoir de la lumiè- re d'une source lumineuse autonome 77, tandis que l'extrémité opposée de chaque fibre optique 74 sur le pied 75 de la pale se termine de façon adjacente à un détecteur photosensible 78. Chaque source lumineuse autonome 77 est avantageusement configurée de manière à avoir une portion de forme et de surface correspondantes à l'extrémité de la fibre optique qui lui est adjacente, le reste de la surface extérieure de la source lumineuse étant argenté pour empêcher toute émission de lumière. I1 est préférable que chaque fibre optique 74 reçoive de la lumière d'une source lumineuse autonome individuelle mais on peut utiliser une même source lumineuse de forme appropriée pour transmettre de la lumière à plusieurs ou à toutes les fibres optiques 74. I1 est également préforable que les sources lumineuses 77 soient disposées à la pointe du longeron de la pale où elles sont soumises à des efforts moindres ; toutefois les fibres optiques peuvent être agencées de manière à former une boucle à la pointe du longeron de manière à revenir sur elles-mêmes et les sources lumineuses peuvent alors être disposées au pied de la pale. Les signaux électriques émis par les détecteurs photosensibles 78 peuvent, après amplification appropriée, être utilisés pour actionner un ou plu- sieurs relais qui, en l'absence d'un signal, se réenclenchent pour alimenter un dispositif avertisseur. Dans tous les modes de réalisation décrits, si une fissure se propage dans une partie quelconque d'un élément structurel auquel une fibre optique est fixée, la fibre optique va également se fracturer de sorte que la lumière ne sera plus transmise de la source lumineuse au détecteur photosensible. L'absence de tout signal électrique à la sortie du détecteur photosensible est alors utilisée pour actionner un dispositif avertisseur approprié. L'un des avantages principaux de la présente invention réside dans le fait qu'aucune source d'énergie électrique n'est nécessaire au fonctionnement de l'appareil de détection de fissures suivant l'invention. Bien entendu, l'invention n'est nullement li- mitée aux modes de réalisation de l'exemple décrit et représent, elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans s'écarter pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil pour détecter l'apparition d'une fissure dans un élément structurel ou un composant mécanique, caractérisé en ce qu'il comprend une fibre optique pouvant être fixée audit élément ou composant et une source lumineuse auto-lumineuse pouvant être disposée à l'une des extrémités de la fibre optique, de façon que la lumière émise parladite source lumineuse soit transmise le long de ladite fibre optique pour fournir une indication de l'intégrité dudit élé- ment ou composant par émission à l'extrémité opposée de ladite fibre optique. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un détecteur photosensible pouvant être disposé de façon adjacente à l'extrémité opposée de la fibre optique de manière à être excité par la lumière émise par ladite fibre pour produire un signal électrique ; et un circuit électrique relié au détecteur photosensible et à un dispositif avertisseur audio/visuel. 3. Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le détecteur photosensible comprend une cellule photoélectrique. 4. Appareil suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de fibres optiques agencées de manière à recevoir la lumière émise par une ou plusieurs sources lumineuses autonomes. 5. Appareil suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la source lumineuse autonome comprend un corps en verre creux scellé comportant un revêtement interne au phosphore porté a luminescence par un radionucléide gazeux contenu dans ledit corps en verre creux. 6. Elément structurel ou composant en maté- riaux composites, caractérisé en ce qu'une ou plusieurs fibres optique s sont noyées dans ledit élément ou composant la ou chacune des fibres optiques ayant une extrémité disposée de manière à recevoir la lumière émise par une source lumineuse autonome et son extrémité opposée disposée de manière a diriger la lu- mière transmise le long de ladite fibre optique sur un dispositif photo sensible de manière à fournir une indication de l'intégrité de l'élément ou composant. 7. Composant suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il consiste en une pale de rotor d'hélicoptère. 8. Pale de rotor d'hélicoptère suivant la revendication 7, caractérisée en ce que chaque fibre optique s'étend du pied de la pale de rotor à la pointe de la pale, une source autonome lumineuse étant disposée à l'extrémité de la fibre optique ou de chacune d'elles située à la pointe de la pale de rotor.