Brevet FR2579327A1 — publié le 19860926

L'invention, due à Monsieur Gérard FERRON, du Laboratoire de Mécanique et de Physique des Matériaux de l'Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aérotechnique de POITIERS, U.A. C.N.R.S. 863, a pour objet un dispositif perfectionné d'essais de traction biaxiale et vise, notamment, un dispositif permettant l'application à une éprouvette d'essai de sollicitations biaxiales, plus précisément de déplacements et d'efforts orthogonaux. Alors que l'étude des matériaux, en particulier l'étude de leur comportement plastique en présence de contraintes ou de sollicitations complexes est de la plus grande importance théorique et pratique, il n'existe que très peu de machines d'essais susceptibles d'appliquer à une éprouvette d'essai un champ de tractions biaxiales et cela, vraisemblablement, parce que les qualités que l'on exige de telles machines, - comme par exemple l'élimination des contraintes parasites, ou encore une grande régularité de répartition des charges, - en rendent la construction difficile et, partant, coûteuse. Aussi de telles machines, qui comportent généralement deux vérins hydrauliques orthogonaux ou des systèmes vis/moteur avec des moyens, de préférence automatique, d'enregistrement des forces appliquées et des allongements qui en résultent ne sont-elles disponibles qu'auprès de centres de recherches importants. Cependant, les laboratoires de mécanique et/ou d'essais de matériaux sont généralement équipés de machines de traction simple, c'est-à-dire de machines prévues pour l'application d'une contrainte purement normale (au sens de la résistance des matériaux) et c'est pourquoi on a déjà proposé, par exemple dans le Brevet des ETATS-UNIS N" 3 460 379 (Invention Chanson, cédé à la NASA) d'associer à une machine de traction uniaxiale un appareillage susceptible de transformer l'effort unidirectionnel en deux forces égales dont les directions peuvent être réglées pour faire entr'elles un angle de 90". Dans ce dispositif connu, on fait appel à un support plan sur lequel sont montées, en porte à faux, des poulies autour desquelles s'enroulent des câbles reliés aux vérins de la machine de traction uniaxiale. L'ensemble est de dimensions importantes, si l'on souhaite transmettre des forces relativement grandes, la structure en torons des câbles ne permet pas d'éliminer des à-coups parasites et, en outre, le fonctionnement est aléatoire en cas de fortes charges. C'est, d'une manière générale, un but de l'invention de fournir un dispositif perfectionné d'essais de traction biaxiale propre à être mis en oeuvre avec des machines de traction uniaxiale usuelles et qui, cependant, ne présente pas les inconvénients du dispositif connu à câbles et poulies. C'est, aussi, un but de l'invention de fournir un tel dispositif perfectionné qui permet au technicien, à partir d'une machine de traction usuelle à sa disposition, de conduire de manière simple et à faible coût, les études souhaitées de comportement de pièces sollicitées par un champ biaxial, comme des tôles ou analogues, l'expression de champ biaxial étant entendue ici au sens de sollicitations de traction orthogonales et non de traction et torsion, comme cela est parfois le cas pour des tubes minces. C'est, encore, un but de l'invention de fournir un tel dispositif à petit nombre de pièces faciles à usiner et qui, à partir d'une machine de traction ou de compression usuelle, permette l'obtention de différents champs de traction biaxiale. Un dispositif perfectionné selon l'invention, destiné à appliquer à une éprouvette d'essai un champ de sollicitations biaxiales et propre à être associé à une machine d'essais fournissant un déplacement uniaxial, avec des moyens de liaison à ladite machine et des moyens de préhension-de ladite éprouvette, est caractérisé en ce qu'il comprend au moins un mécanisme articulé à biellettes assqcié auxdits moyens de préhension de l'éprouvette et qui est organisé de manière telle qu'il découple tout effort de traction ou de compression auquel il est soumis suivant les deux directions orthogonales dudit champ de sollicitations biaxiales. Selon une réalisation avantageuse, le dispositif selon l'invention comprend deux mécanismes à biellettes disposés de part et d'autre du plan de l'éprouvette d'essai, et ainsi symétriquement par rapport audit plan. Dans encore une autre forme de réalisation, chaque mécanisme est organisé à l'aide de biellettes de même longueur et de manière telle que les déplacements et les efforts soient très sensiblement égaux suivant les deux dites directions orthogonales qui sont alors définies l'une, par un premier jeu de biellettes, et l'autre, par une second jeu de biellettes, perpendiculaire au premier. Dans encore une autre forme de réalisation, les mécanismes à biellettes sont organisés de manière telle que les moyens de préhension de l'éprouvette d'essai ne se déplacent pas de quantités égales mais de longueurs telles que les déformations de l'éprouvette suivant les deux dites directions orthogonales soient dans un rapport sensiblement constant, différent de 1 et prédéterminé. De façon avantageuse, le mécanisme articulé à biellettes comprend une pièce en forme générale de croix sur laquelle sont montées à pivotement les biellettes par une de leurs extrémités, les autres extrémités étant articulées à pivotement sur les moyens de préhesion de l'éprouvette. Chacune desdites pièces en forme générale de croix présente quatre paires de joues, alignées deux à deux, chaque paire servant au montage à pivotement de l'extrémité d'une biellette dont l'autre extrémité est montée à pivotement sur une paire d'oreilles solidaires desdits moyens de préhension de l'éprouvette. Dans la réalisation du dispositif pour laquelle les déplacements et les efforts sont très sensiblement égaux les axes de pivotement ménagés sur lesdites pièces en croix sont coplanaires. Pour le dispositif dans lequel les moyens de préhension ne se déplacent pas de longueurs égales, le plan des axes de pivotement d'un premier couple de biellettes est décalé par rapport au plan des axes d'articulation d'un couple de biellettes disposé perpendiculairement au premier. Dans un mode d'exécution d'un dispositif selon l'invention, chacun des moyens de préhension est une tête de fixation de l'éprouvette ménagée par la réunion de deux demi-têtes, identiques, dont chacune comprend un patin ou semelle de forme générale rectangulaire percé d'orifices dont la disposition correspond à celle d'orifices conjugués de l'éprouvette et dont la face opposée à celle de contact avec l'éprouvette porte des oreilles traversées par un axe de montage à pivotement des extrémités des biellettes, lesdites oreilles étant usinées en même temps que le patin ou étant fixées sur celui-ci par soudure ou tout autre moyen analogue. Dans un autre mode d'exécution du dispositif, les têtes de fixation de l'éprouvette sont monobloc, avec une semelle ou patin percé d'orifices taraudés de fixation de l'éprouvette et muni d'un stub de centrage de celle-ci, ladite semelle ou patin étant relié à un corps, - qui porte les jeux d'oreilles de montage à pivotement des biellettes -, par une âme pleine, propre à recevoir un moyen de mesure comme une jauge de contrainte, une jauge de déformation ou analogue. L'invention sera mieux comprise par la description qui suit, faite à titre d'exemple et en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif selon l'invention, pour une première forme de réalisation - la figure 2 est une vue en élévation d'une éprou vette d'essai - la figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne III-III de la figure 2 - la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 1 mais pour une autre forme de réalisation - la figure 5 est une vue en perspective d'une pièce constitutive d1un dispositif selon l'invention, mais pour encore une autre forme de réalisation - la figure 6 est une vue de dessus de la pièce montrée sur la figure 5 - la figure 7 est une vue en perspective, analogue à celle de la figure 5, mais pour une autre pièce d'un dispositif selon l'invention. On se réfère d'abord à la figure 1. Le dispositif perfectionné d'essais de traction biaxiale selon l'invention comprend deux têtes 10 et 11 avec lesquelles sont propres à coopérer les mors M d'une machine de traction monoaxiale que le dispositif est destiné à équiper et deux têtes 12 et 13 qui, en condition d'utilisation, définissent avec les premières un dessin de croix grecque. Dans la forme de réalisation décrite et représentée, chacune des têtes 10, 11, 12, 13 est formée par la réunion de deux demi-têtes identiques, l'ensemble étant ainsi totalement symétrique par rapport à un plan P, qui est celui contenant l'éprouvette d'essai E. Cette dernière, figures 2 et 3, est une plaque mince du matériau soumis à l'essai, elle aussi conformée suivant une croix grecque à zone centrale carrée 15 et ailes 16a, 16b, 16c, 16d percées de trous de fixation 18a et d'un trou de centrage 18b, lesdites ailes comportant chacune au voisinage de la zone centrale 15 des fentes parallèles 17 à extrémités arrondies prévues pour permettre la déformation de l'éprouvette lorsque cette dernière est, à l'aide du dispositif selon l'invention, soumise à un champ de contraintes ou de sollicitations biaxiales. Pour ce faire, l'éprouvette E est rendue solidaire des têtes 10-13 du dispositif par serrage de l'aile 16a entre les deux demi-têtes constitutives de la tête 10, serrage de l'aile 16b entre les deux demi-têtes constitutives de la tête 13, etc... A cet effet, chacune des demi-têtes constitutive des têtes 12 et 13 comporte une semelle massive 20, de forme générale rectangulaire, - percée de forages taraudés disposés en correspondance des trous 18 de l'éprouvette E -, à bord de plus petite longueur 21 et à bords de plus grande longueur 22 et 23 tronqués à leurs extrémités de raccordement au bord opposé au bord 21, de sorte que la semelle présente, - au voisinage d'une série de fentes 17 de l'éprouvette dans la condition d'utilisation -, deux pans coupés symétriques par rapport à un plan P' perpendiculaire à la semelle 20 et passant par le milieu du bord 21. Sur la face de la semelle 20 opposée à celle prévue pour venir au contact de l'éprouvette E, chaque demi-tête constitutive des têtes 12, 13 présente deux oreilles 25 et 26 parallèles entr'elles et au plan P', lesdites oreilles étant usinées dans la masse ou étant fixées sur leur semelle respective par exemple par soudure et étant percées, l'une et l'autre, d'un trou traversant 27 d'axe perpendiculaire au plan P'. Chacune des pièces constitutives des demi-têtes 10 et 11 est de structure analogue à celle décrite immédiatement ci-dessus sous réserve de ce que la semelle ou patin 30 d'une demi-tête 10, par exemple, est conformé complémentairement suivant un T dont la tête 31 s'étend parallèlement et à distance du bord de petite longueur 32 du patin tandis que l'amie 33 du T se raccorde audit bord 32 auquel elle est perpendiculaire. Cette disposition permet de ménager entre les bords 32 des patins 30 et les têtes 31 en regard des T un espace de réception des mors M de la machine de traction laquelle, de façon en soi connue, permet ainsi l'application à l'éprouvette E d'un effort de traction dirigé suivant la direction définie par les flêches F et F' qui montrent le sens du mouvement des têtes 10 et 11, respectivement. Selon l'invention, l'effort de traction appliqué par l'intermédiaire des mors M de la machine de traction est découplé à l'aide d'au moins un mécanisme articulé, à biellettes, associé aux têtes 10-13. De façon plus précise, un dispositif selon l'invention comprend, dans la forme de réalisation décrite et repré- sentée, huit biellettes disposées suivant deux parallélogrammes dont l'un est situé dans un plan horizontal, - le plan P' dans la représentation de la figure 1 -, et l'autre dans un plan vertical perpendiculaire au premier. Dans ledit plan vertical les biellettes 41a et 41b d'un premier couple sont montées à pivotement entre les têtes 10, 11 et une pièce 40, elle aussi en forme de croix grecque. Pour le montage d'une extrémité de la biellette 41a, par exemple, l'invention fait application d'un axe 36 traversant les oreilles 42 et 43 du patin 30 tandis que ladite biellette est articulée sur la pièce 40 au moyen d'un axe 37 traversant des joues 44 et 45 de ladite pièce.De façon similaire, la biellette 41b est montée à pivotement par un axe 38 entre les oreilles 46, 47 de la semelle ou patin 48 de la pièce constitutive d'une demi-tête 11 et par un axe 39, parallèle à l'axe 37, entre des joues 49 et 50 prolongeant les joues 44 et 45 de la pièce 40. Les autres branches du parallèlogramme articulé situé dans le plan vertical sont constituées par des biellettes 51a et 51b montées à pivotement entre les joues d'une pièce 52, identique à la pièce 40 et placée symétriquement à celle-ci par rapport au plan P d'une part et, d'autre part, les oreilles associées aux pièces constitutives des deux demi-têtes 10 et 11 symétriques de celles décrites ci-dessus par rapport au même plan P. Le . parallèlogramme articulé situé dans le plan horizontal est formé par un premier couple de biellettes 53a et 53b dont la première est montée à pivotement autour d'un axe 35 entre les oreilles 25 et 26 d'une demi-tête 13 et par un axe non référencé, parallèle à l'axe 35, entre les joues 54 et 55 de la pièce 40, - lesdites joues 54, 55 étant dirigées perpendiculairement aux joues 44 et 45 prévues pour le montage de la biellette 41a -, tandis que la biellette 53b est montée à pivotement entre des joues 56 et 57, prolongeant les joues 54, 55 de la pièce 40, respectivement, et des oreilles 58 et 59 d'une demi-tête 12.Les deux autres biellettes constitutives du parallèlogramme articulé situé dans le plan horizontal sont montrées en 60a et 60b sur la figure 1 ; elles sont articulées, respectivement, entre la pièce 52, d'une part et, d'autre part, les demi-têtes 12 et 13 symétriques des demi-têtes sur lesquelles sont articulées les biellettes 53a et 53b par rapport au plan P. Pour l'exécution d'un essai, on procède d'abord à la mise en place de l'éprouvette E, qui est fixée par ses ailes 16 entre les demi-têtes des têtes 10-13 à l'aide de vis comme 65, avantageusement à tête creuse hexagonale pouvant être manoeuvrées à l'aide d'une clé Allen. Au cours de cette opération les têtes 10-13 sont maintenues sensiblement dans la position montrée sur la figure 1 à l'aide d'un support, non représenté, ménageant quatre surfaces d'appui en croix grecque pour lesdites têtes, et cela afin de ne pas déformer l'éprouvette lors du montage étant donné qu'en l'absence de celle-ci le dispositif n'a pas de forme définie. Les mors M de la machine ~de traction sont alors associés aux têtes 10, 11 et l'application d'un effort de traction dirigé suivant les flêches F et F' provoque, par l'intermédiaire des biellettes 41 et 51 le rapprochement l'une vers l'autre des pièces 40 et 52, mouvement qui, par l'intermédiaire des biellettes 53 et 60 provoque à son tour l'éloignement l'une de l'autre des têtes 12 et 13, suivant une direction perpendiculaire à celle matérialisée par les flêches F, F', c'est-à-dire soumet l'éprouvette E à un champ de traction biaxial. Aux déformations élastiques des biellettes près, -les biellettes situées dans le plan vertical sont soumises à une traction alors que celles placées dans le plan horizontal sont soumises à une compression, - les déplacements dans les deux directions perpendiculaires des têtes 10,11 et 12,13 sont égaux, le rapport de déplacement dans les deux dites directions étant égal à 1. Dans une autre forme de réalisation, prévue pour s'affranchir de la différence de comportement des biellettes horizontales et verticales, l'effort de commande au lieu d'être appliqué par l'intermédiaire des têtes 10 et 11, l'est par l'intermédiaire des pièces 40 et 52. Si, en effet, on exerce sur lesdites pièces une compression suivant une direction perpendiculaire à celle matérialisée par les flêches F et F', l'ensemble est alors à symétrie complète, les déplacements et les efforts dans les deux directions orthogonales étant rigoureusement égaux si l'éprouvette E est isotrope dans son plan, toutes les biellettes étant alors en compression. Dans encore une autre forme de réalisation, figure 4, les têtes 10 et 11, ainsi que les têtes 12 et 13 sont analogues à celles de la réalisation décrite ci-dessus, mais il n'en est pas de même des pièces 40 et 52 d'articulation des biellettes. Comme visible sur la figure 4, à la pièce 40 correspond une pièce référencée 70, organisée d'une manière telle que les axes de pivotement 71 et 72 des biellettes 41a, et 41b, respectivement, définissent un plan qui n'est pas confondu avec celui des axes comme 73 d'articulation des biellettes 53a et 53b de sorte que la géométrie du système étant différente, eu égard notamment aux angles des parallélogrammes formés par les biellettes dans leur condition initiale (c'est-à-dire en l'absence d'effort appliqué) le rapport des déplacements et des efforts exercés sur l'éprouvette E dans deux directions orthogonales est différent de 1. De façon plus précise, si l'on désigne par 11 la partie utile déformable de l'éprouvette E suivant une direction, par exemple ici la direction verticale, et par 12 la partie utile déformable de l'éprouvette dans la direction perpendiculaire à celle suivant laquelle est mesurée 11 , et si l'on désigne également par 11,0 et 12,0 désignant les longueurs des parties utiles initiales, c'est-à-dire avant l'application des sollicitations, alors, un calcul simple montre que l'on peut construire le mécanisme pour que ait une valeur quasiment constante, prédéterminée. Ainsi, dans la forme de réalisation montrée sur la Figure 1, P = 1, tandis que, dans la forme de réalisation montrée sur la Figure 4, p = 2 Quelle que soit la forme de réalisation, le dispositif selon l'invention est avantageusement muni de moyens de mesure, comme des capteurs de force, de déplacement ou analogues, non représentés. A cet égard, dans encore une autre forme de réalisation, le dispositif est agencé pour, d'une part, permettre le montage plus facile de l'éprouvette d'essai et, d'autre part, faciliter la mesure des efforts et/ou des déformations. Dans cette forme de réalisation, figures 5, 6 et 7, les têtes comme 10 et 11 décrites ci-dessus, c'est-à-dire celles avec lesquelles sont propres à coopérer les mors M d'une machine de traction sont comme montré sur les figures 5 et 6. Au lieu de résulter de la réunion de deux demi-têtes elles sont réalisées en tant qu'ensemble monobloc avec un patin ou semelle 75 percé de deux orifices taraudés 76 et 77 de fixation de l'éprouvette d'essai E centrée à l'aide d'un pion 78, la semelle 75 étant raccordée à un T 79 d'accrochage d'un des mors de la machine de traction par un corps 80 lequel ménage, de part et d'autre d'une âme 84 qui prolonge l'amie 81 du T 79, deux jeux d'oreilles alignés 82 et 83, respectivement, pour le montage à pivotement des biellettes, non représentées, constitutives du mécanisme articulé. Les têtes analogues à celles référencées 12 et 13 de la réalisation précédente sont, ici, figure 7, également constituées en tant qu'ensemble monobloc à semelle 85 ménageant les trous taraudés 86 et 87 de fixation de l'éprouvette d'essai E centrée à l'aide d'un stub 88, la semelle 85 étant reliée par une âme 90 à un bloc 91 lequel porte, sur deux faces opposées, les deux jeux d'oreilles 92 et 93 de montage à pivotement des biellettes du second mécanisme. Dans cette forme de réalisation, le montage de l'éprouvette d'essai E s'effectue par introduction latérale, le maintien en place de l'éprouvette sur les semelles comme 75 ou 85 étant assuré par des plaques de serrage comme 89, figure 7, percées de forage correspondant aux trous taraudés et au stub des semelles. En outre, la présence d'une âme pleine adjacente à la zone de fixation de l'éprouvette d'essai aussi bien sur les têtes avec lesquelles coopèrent les mors de la machine de traction que sur celles montrées sur la figure 7 permet de mettre en place, de façon simple, des jauges J permettant la mesure des efforts, comme montré schématiquement en pointillé sur lesdites figures 5 et 7. Quel que soit le mode de réalisation, le dispositif est susceptible de fonctionner en chargement monotone, ou cyclique à faible fréquence, de l'ordre de 1 Hertz. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'essais de traction biaxiale destiné à appliquer à une éprouvette d'essai un champ de sollicitations biaxiales et propre à être associé à une machine d'essai fournissant un déplacement uniaxial, avec des moyens de liaison à ladite machine et des moyens de préhension de ladite éprouvette, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un mécanisme articulé à biellettes (41,51-53,60) associé auxdits moyens de préhension (10-13) de l'éprouvette et qui est organisé de manière telle qu'il découple tout effort de traction ou de compression auquel il est soumis suivant les deux directions orthogonales dudit champ de sollicitations biaxiales. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux mécanismes à biellettes (41, 51-53, 60) disposés de part et d'autre du plan de l'éprouvette d'essai (E) et ainsi symétriquement par rapport audit plan (P). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que chaque mécanisme est organisé à l'aide de biellettes (41, 51, 53, 60) de même longueur et de manière telle que les déplacements et les efforts soient très sensiblement égaux suivant les deux dites directions orthogonales qui sont alors définies, l'une, par un premier jeu de biellettes (41,51) et l'autre par un second jeu de biellettes (53,60) perpendiculaire au premier. 4. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les mécanismes à biellettes sont organisés de manière telle que les moyens de préhension (10-13) de l'éprouvette d'essai ne se déplacent pas de quantités égales mais de longueurs telles que les déformations de l'éprouvette suivant les deux dites directions orthogonales soient dans un rapport sensiblement constant, différent de 1 et prédéterminé. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mécanisme articulé à biellettes comprend une pièce en forme générale de croix (40,52,70) sur laquelle sont montées à pivotement les biellettes par une de leurs extrémités, les autres extrémités étant articulées à pivotement sur les moyens de préhension de l'éprouvette. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que chacune desdites pièces en forme générale de croix (40,52,70) présente quatre paires de joues, alignées deux à deux, chaque paire servant au montage à pivotement de l'extrémité d'une biellette dont l'autre extrémité est montée à pivotement, sur une paire d'oreilles (25,26) solidaires desdits moyens de préhension de l'éprouvette. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les axes de pivotement ménagés sur lesdites pièces en forme générale de croix sont coplanaires. 8. Dispositif selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les axes de pivotement sur ladite pièce en forme générale de croix d'un premier couple de biellettes (41) sont dans un plan décalé par rapport au plan des axes de pivotement sur ladite pièce en forme générale de croix d'un second couple de biellettes (53) disposés perpendiculairement au premier. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacun des moyens de préhension est une tête (10-13) de fixation de l'éprouvette ménagée par la réunion de deux demi-têtes, identiques, dont chacune comprend un patin ou semelle (20,30,48) de forme générale rectangulaire percé d'orifices dont la disposition correspond à celle d'orifices conjugués de l'éprouvette et dont la face opposée à celle de contact avec l'éprouvette porte des oreilles (25,26-58,59) traversées par un axe de montage à pivotement d'une extrémité des biellettes, lesdites oreilles étant usinées en même temps que le patin ou étant fixées sur celui-ci par soudure ou tout autre moyen analogue. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les têtes (10,11) destinées à être raccordées à la machine de traction sont, en outre, conformées suivant un T ménageant avec les bords de petite dimension desdites semelles (20,30,48), un espace propre à recevoir les mors (M) de ladite machine de traction. 11. Dispositif selon l'une quelcongue des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les têtes de fixation de l'éprouvette (E) sont monobloc, avec une semelle ou patin (75,85) percé d'orifices taraudés (76,77,86,87,) de fixation de l'éprouvette et d'un pion (78,88) de centrage de celle-ci, ladite semelle ou patin (75,85) étant relié à un corps, (80,91), - qui porte les jeux d'oreilles (82, 83-92, 93) de montage à pivotement des biellettes -, par une âme pleine (84,90) propre à recevoir une moyen de mesure comme une jauge de contrainte, une jauge de déformation ou analogue (J). 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le corps monobloc (80) de l'une des têtes se prolonge, à l'opposé de la semelle (75), par un T (79) dont l'âme (81) est dans le prolongement de celle (84) du corps et dont les ailes sont distantes dudit corps de façon à ménager avec ce dernier un espace propre à recevoir les mors (M) de la machine de traction.