Brevet FR2595139A1 — publié le 19870904

Machine d'essais de fatigue en flexion-torsion, pour éprouvettes notamment en matériau composite L'invention concerne une machine d'essais du type comportant des moyens de support d'une éprouvette permettant des déformations de celle-ci, des moyens d'application d'une force suer l'éprouvette, et des moyens de mesure des déformations de l'éprouvette. De telles machines sont utilisées dans le cadre d'essais de flexion d'éprouvettes en matières plastiques ou matériaux composites. On se reportera à ce sujet à la norme française NF T51-001 de septembre 1972 ou à la norme internationale lso 178. Les essais utilisés sont du type "trois points" (le barreau rectangulaire d'éprouvette est en appui à ses extrémités et chargé en son milieu) ou "quatre points" (qui présente l'avantage de dégager la partie centrale de l'éprouvette, donc de supprimer les contraintes de contact qui perturbent les résultats). I1 apparaît cependant que des essais de flexion pure ne sont pas toujours suffisants pour rendre compte du comportement d'un matériau. Plusieurs raisons supportent la validité des essais de rupture et de fatigue en contraintes complexes. a) des raisons fondamentales : un certain nombre de critères de rupture (contrainte ou déformation maximum, Tsai-Hill, Tsai-Xtu, etc.) existent en essais statiques. Leur établissement ou leur vérification sont, en général, réalisés en contrainte uniaxe (traction ou compression pure, cisaillement pur) en faisant tourner la direction principale de la sollicitation par rapport aux directions principales du matériau. Cette méthode est insuffisante : en effet, dans les cas réels d'état de contrainte, il n'existe, en général, pas de système d'axes privilégiés dans lequel ne subsisterait qu'une seule composante non nulle. b) Un manque de résultats : il existe peu d'études en fatigue conduisant à l'équivalent des critères de rupture, c'està-dire à des relations liant les composantes de la contrainte dans le repère principal du matériau et tel que le nombre de cycles à rupture soit constant. c) des raisons pratiques : les structures en matériaux composites sont élaborées en fonction des sollicitations les plus importantes. Ainsi une lame, travaillant en flexion, comportera essentiellement des fibres longitudinales. I1 peut en résulter une grande sensibilité à des sollicitations, même faibles, travaillant dans des directions non renforcées. La correction optimum à l'élaboration de cette sensibilité suppose la connaissance de la tenue en fatigue ou en sollicitations quasi-statiques pour des états de contraintes complexes. Le but de l'invention est de proposer une machine permettant la réalisation d'essais en flexion-torsion. Ce but est atteint grâce à une machine dans laquelle, si l'on définit un repère de directions orthogonales X,Y,Z, les moyens de support d'éprouvette comportent deux dispositifs d'encastrement des extrémités de l'éprouvette, libres en déplacement suivant la direction X et en rotation autour de la direction Y, et un dispositif central d'appui du milieu de l'éprouvette, libre en déplacement suivant la direction Z et en rotation autour de la direction X. De la sorte, il est possible de superposer une torsion à un effort de flexion classique appliqué au centre de l'éprouvette. I1 suffit de déporter le point d'application de cet effort F de manière à créer un couple de torsion C dépendant de F. Les moyens de mesure sont agencés pour mesurer la flèche de l'éprouvette en son milieu et l'angle de torsion de l'éprouvette en son milieu. Le dispositif central d'appui comprend une pièce d'encastrement montée en rotation dans un palier coulissant le long d'un guide. L'ensemble est monté sur une machine de traction hydraulique permettant un asservissement en force ou en déplacement. Selon une caractéristique originale de la machine de l'invention, il est prévu de réaliser l'application des efforts de deux façons distinctes, en fonction du rapport couple/effort de flexion. Pour un rapport suffisant (correspondant à un couple suffisamment grand), on applique une force F directement sur un bras de levier solidaire de la pièce d'encastrement du dispositif central, à une distance d de l'axe de rotation correspondant audit rapport. Pour un rapport insuffisant, le montage cidessus ne serait plus possible car la distance d devrait être inférieure à la demi-largeur de l'éprouvette. C'est pourquoi la pièce d'encastrement comporte deux bras de levier reliés par des barres articulées de manière à former un parallélogramme destiné à l'application d'une force engendrant un couple de torsion petit. Grâce à ces montages, la machine conforme à l'invention permet de réaliser des essais de flexion seule, de torsion seule, et de flexion-torsion avec des rapports C/F variant de zéro à l'infini. Avantageusement, les moyens de mesure de la flèche sont agencés pour mesurer le déplacement du palier le long de son guide. Quant aux moyens de mesure de l'angle de torsion, ils peuvent être agencés pour mesurer l'angle de rotation de la pièce d'encastrement dans son palier, ou celui de la barre inférieure du parallélogramme associé à ladite pièce. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels . la figure 1 est un schéma d'une éprouvette montrant le principe de l'essai de flexion-torsion, . la figure 2 est un schéma montrant l'organe essentiel de la machine d'essai conforme à l'invention, en vue transversale, . la figure 3 est un schéma très simplifié montrant l'agencement de la machine, vue en long (avec un effort de traction dirigé vers le bas). L'éprouvette 1 en forme de barreau rectangulaire permet de définir un repère orthogonal de directions X,Y,Z respectivement longitudinale, transversale et normale par rapport à l'éprouvette. L'éprouvette 1 doit être encastrée à ses extrémités 2 de manière à permettre à celles-ci un déplacement libre suivant la direction X (flèches 3) et une rotation autour des directions Y (flèches 4). Les encastrements basculants utilisés pour les essais classiques de flexion "trois points" peuvent être utilisés ici. Très sommairement, de tels dispositifs peuvent comporter (fig.3) un encastrement basculant 5 articulé sur un axe parallèle à Y et supporté dans un chariot 6 coulissant selon la direction X. La flexion-torsion est imposée au milieu de l'éprouvette 1 par un dispositif 7 réalisant un appui du milieu 8 de l'éprouvette (considérée dans sa longueur), libre en déplacement selon la direction normale Z (pour permettre la flexion) et en rotation autour de la direction X (pour permettre la torsion). Le dispositif 7 permet ainsi l'application d'une force F en un point A situé sur l'axe médian 8 à une distance d du centre O de l'éprouvette, de manière à provoquer un effort de flexion et un couple de torsion C = Fxd, entraînant une flèche f et une rotation O. La flèche f et l'angle e sont mesurés au milieu de l'éprouvette, au niveau du dispositif 7. Le dispositif 7 comporte un guide fixe 9, parallèle à la direction Z, sur lequel peut coulisser librement grâce à des moyens symbolisés par des roulettes 10 un palier 11 comportant une pièce d'encastrement 12 tournant dans le palier 11 grâce à des roulements 13. L'axe de rotation de la pièce 12 est parallèle à la direction x. Une fente rectangulaire 14 permet l'encastrement de la pièce 1. Solidaires de la pièce 12 deux bras 15 s'étendent parallèlement à la fente 14. Sur ces bras 15, est monté un système de trois barres articulées 16,17,18, réalisant un parallèlogramme déformable. Pour équilibrer l'ensemble il est possible de doubler ce parallèlogramme par un parallèlogramme symétrique placé derrière la pièce 12, et relié au premier. La ou les barres inférieures 18 du parallèlogramme sont utilisées pour imposer des faibles couples de torsion. Pour cela on applique la force F, au moyen d'un vérin hydraulique par exemple, de manière que son axe 19 d'application passe par le centre O de l'éprouvette 1. Le parallèlogramme 15,16,17,18 a auparavant été déformé de manière que l'axe 19 sépare la barre inférieur en deux parties de longueur d2 et D3 telles que d3 - d2 = d. TR couple appliqué est donc bien C=Fxd et l'effet de flexion F. Une pièce de liaison entre le vérin hydraulique appliquant la force et la barre 18 permet à celle-ci d'opérer une rotation égale à la rotation de la pièce 12, sans glissement du point d'application de F le long de la barre 18. I1 résulte de ce système un effort parasite T sur le nez du vérin, qui doit être compatible avec les spécifications de la machine hydraulique utilisée. La mesure de la flèche f peut se faire par un capteur 20 mesurant la course de la pièce ville long de son guide 9. La mesure de l'angle e peut se faire par un capteur 21 mesurant la rotation de la pièce 12 dans son palier, ou par un capteur mesurant la rotation de la barre 18 au niveau de la pièce de liaison avec le vérin. Ce montage permet d'appliquer des couples de torsion très petits. Pour des couples plus grands, on peut utiliser directement le bras 15 comme bras de levier et y appliquer directement une force F à une distance d du point 0. La combinaison des deux montages permet donc de faire varier le rapport C/F de O à l'infini. Par ailleurs, en bloquant la pièce 11, on peut réaliser des essais de torsion seule. Inversement si on choisit d3 = dl, on voit qu'on peut réaliser un essai de flexion seule. REVENDICATICtES 1. Machine d'essais de fatigue en flexion-torsion du type comportant des moyens de support d'une éprouvette permettant des déformations de celle-ci et définissant un repère de direction orthogonales X,Y,Z, des moyens d'application d'une force sur l'éprouvette, et des moyens de mesure des déformations de l'éprouvette, caractérisée en ce que les moyens de support d'éprouvette comportent deux dispositifs (5,6) d'encastrement des extrémités (2) de l'éprouvette (1), libres en déplacement suivant la direction X et en rotation autour de la direction Y, et un dispositif central (7) d'appui du milieu de l'éprouvette (1) libre en déplacement suivant la direction Z et en rotation autour de la direction X. 2. Machine d'essais selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'application d'une force (F) sur l'éprouvette sont agencés pour pouvoir exercer un couple de torsion (() sur ladite éprouvette en son milieu. 3. Machine d'essais selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens de mesure sont agencés pour mesurer la flèche (f) de l'éprouvette (1) en son milieu et l'angle de torsion (e) de l'éprouvette (1) en son milieu. 4. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le dispositif (7) comprend une pièce d'encastrement (12) montée en rotation dans un palier (11) coulissant le long d'un guide (9). 5. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que la pièce d'encastrement (12) comporte au moins un bras de levier (15) destinés à l'application d'une force (F) engendrant un couple de torsion (C). 6. Machine selon la revendication 5, caractérisée en ce que la pièce d'encastrement comporte deux bras de levier (15) reliés par des barres articulées (16,17,18) de manière à former un parallélogramme (15,16,17,18) destiné à l'application d'une force (F) engendrant un couple de torsion (C) petit. 7. Machine selon les revendications 3 et l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que les moyens (20) de mesure de la flèche (f) sont agencés pour mesurer le déplacement du palier (11) le long de son guide (9). 8. Machine selon les revendications 3 et l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que les moyens (21) de mesure de l'angle de torsion (e) sont agencés pour mesurer l'angle de rotation de la pièce (12) dans son palier (11). 9. Machine selon les revendications 3 et 6, caractérisée en ce que les moyens (21) de mesure de l'angle de torsion (e) sont agencés pour mesurer l'angle de rotation d'une barre (18) du parallèlogramme (15,16,17,18).