Brevet FR2607930A1 — publié le 19880610

La présente invention concerne une machine d'essai de fluage unidirectionnel sur éprouvette de tissu mou à température ambiante. Cette machine est du type comportant d'une part un moyen de chargement tel que la contrainte induite au sein de l'éprouvette reste constante avec la déformation et d'autre part un moyen de mesure sans contact de cette déformation. En général, le fluage est un essai propre à l'étude du comportement à haute température des matériaux métalliques. Cet essai permet aussi d'établir des lois de comportement des matériaux composites testés à froid. Dans les deux cas les contraintes mises en jeu sont suffisamment grandes pour négliger les effets de frottement dus à l'insertion d'un élément de mesure détectant la variation de section de l'éprouvette en cours de déformation et permettant ainsi de corriger la force de fluage de manière à induire une contrainte constante. Dans de tels cas une machine de traction conventionnelle convient parfaitement. Lorsqu'en raison de la taille ou de la nature des éprouvettes, le fluage nécessite une force de chargement de très faible valeur, inférieure au Newton, et que les déformations subies sont telles que l'on appartient au domaine des faibles déformations, il est commun d'admettre que le fluage s'établit à contrainte constante lorsque le chargement a lieu à force constante, ce qui est très facile à réaliser. Cette hypothèse n est cependant plus acceptable lorsque les éprouvettes soumises à fluage présentent des allongements relatifs supérieurs à 20 %. En effet, si l'on admet que la déformation a lieu à volume constant c'està-dire que le matériau est incompressible, l'allongement de l'éprouvette engendre une diminution de section dont la variation relative est égale au rapport inverse de l'allongement relatif.A force de chargement constante, la contrainte induite sur l'échantillon varie donc dans les mêmes proportions que l'allongement. Les essais de fluage sont effectués en vue d'établir la loi de comportement de la déformation visqueuse d'un matériau viscoélastique et doivent impérativement être réalisés à contrainte constante pour être exploitables. En effet si l'éprouvette est sollicitée à contrainte constante, la déformation élastique égale à la déformation instantanée au moment de la mise en charge en début d'essai de fluage reste constante et seule la déformation visqueuse évolue avec le temps. La machine d'essai de fluage unidirectionnel selon l'invention permet d'appliquer de manière quasi-instantanée une contrainte uniaxiale à l'éprouvette et de maintenir ensuite cette contrainte constante au cours d'un essai de fluage. Cette machine est caractérisée par le fait qu'elle possède un système de mise en charge instantanée et un dispositif modifiant la force de chargement en fonction de l'allongement de l'éprouvette de manière à ce que la contrainte induite au sein de cette éprouvette reste constante malgré la déformation provoquée par le fluage. La machine d'essai de fluage est en plus caractérisée par le fait qu'elle possède un dispositif effectuant la mesure d'allongement de l'éprouvette sans contact. La machine d'essai de fluage selon l'invention, permet une mise en charge quasi-instantanée de l'éprouvette grâce à un système d'accrochage magnétique de l'équipage mobile imposant le chargement. Avant fluage, l'équipage mobile est immobilisé en position repos par l'action magnétique de l'électro-aimant. Le largage de cet équipage, correspondant à la mise en charge de l'éprouvette, est obtenu par simple suppression du champ magnétique. Outre le fait que la commande de mise en charge est établie à distance, cette solution assure un largage symétrique donc équilibré de l'équipage mobile. Selon une autre caractéristique de l'invention, la machine comporte un système de correction de la force de fluage en fonction de l'allongement de l'éprouvette basé sur le principe fondamental de l'hydrostatique. En effet, le système de chargement constitué d'un équipage mobile agissant par simple gravité sur l'éprouvette est solidaire d'un plongeur progressivement immergé dans un liquide contenu dans un réservoir de petites dimensions compatibles avec la structure de la machine. La diminution de la force de chargement en fonction de l'allongement de l'éprouvette est obtenue par l'effet de la poussée d'Archimède sur le plongeur, donnant une composante de force croissante directement opposée au poids de l'équipage. Le plongeur, réalisé dans un matériau de densité nettement inférieure à celle du liquide, à une géométrie très précise définie en considérant d'une part que la hauteur immergée du plongeur est fonction de l'allongement de l'éprouvette et d'autre part que le niveau d'eau contenue dans le réservoir de dimensions finies, varie avec la descente du plongeur. L'évolution de la force à appliquer en fonction de l'allongement est définie en supposant les éprouvettes de nature incompressible pour lesquelles la déformation s'effectue à volume constant. Selon une première variante, le plongeur ainsi que le réservoir ont tous les deux une forme de révolution. Selon une deuxième variante le plongeur a une épaisseur transversale constante, et le réservoir est de forme parallélépipédique. La machine selon l'invention comporte également un système de mesure d'allongement de l'éprouvette en cours de fluage sans contact donc sans frottement utilisant une technique acoustique, basée sur un principe de retard d 'écho d'un signal ultra-son.Ce système a l'avantage de ne pas perturber l'état de chargement de l'éprouvette et permet ainsi de solliciter les éprouvettes à de très faibles contraintes. Cette machine d'essai mécanique de fluage unidirectionnel permet donc d'effectuer des essais de fluage à contrainte constante et ce pour des valeurs de contrainte relativement faibles, sur éprouvettes de tissu mou de petites dimensions. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtron t à la lecture de la description suivante, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue en coupe verticale de la machine suivant le plan AA de la figure 2 (le plongeur a une épaisseur constante et l'équipage mobile est immobilisé par l'action de l'électro-aimant). la figure 2 est une vue de côté de la machine, la figure 3 définit les paramètres géométriques du plongeur et son réservoir lorsque ceux-ci ont une forme de révolution, la figure 4 définit les paramètres géométriques d'un plongeur d'épaisseur transversale constante. Le réservoir de forme parallélépipédique qui lui correspond n'est pas représenté, la figure 5 représente le schéma de principe du dispositif acoustique permettant la mesure sans contact de l'allongement de l'éprouvette. Telle qu'elle est représentée, la machine d'essai de fluage comprend un socle (1), solidaire de deux colonnes (2a) et (2b), reliées entre elles à leur partie supérieure par une traverse (3) supportant une pince (4) sur laquelle s'articulent les mors supérieurs (5). Ceux-ci sont normalement fermés, rappelés par ressort. Ils s'écartent à l'aide du levier de commande (12) actionné manuellement au moment de la mise en place de l'éprouvette sur la machine. La position de la pince (4) est réglable en hauteur permettant ainsi de modifier la longueur définie comme utile sur les éprouvettes. A mi-hauteur des colonnes (2a) et (2b) est fixé un électro-aimant (6) dont le noyau en forme de U est disposé horizontalement, l'ouverture du noyau orientée vers l'avant de la machine, la bobine située à l'arrière.Ce système magnétique offre l'avantage de pouvoir commander à distance la mise en charge de l'échantillon par simple suppression du champ magnétique provoquant le largage de l'équipage mobile. Cet équipage mobile résulte de l'assemblage des mors inférieurs (8) (en position normalement fermée rappelés entre eux par l'action d'un ressort), d'une plaque d'accrochage (9) servant à l'immobilisation de l'équipage mobile par l'intermédiaire de l'électroaimant (6), du plongeur (10) et des masses d'étalonnage amovibles (11). Le noyau de l'électro-aimant (6) ainsi que la plaque d'accrochage (9) sont nécessairement en fer pur afin de ne pas avoir de rémanence dont l'effet indésirable serait de perturber le largage de l'équipage mobile. Le plongeur représenté figures 1 et 2 a une épaisseur transversale constante. Le profil d'un plongeur de ce type dont les paramètres géométriques à prendre en considération sont représentés sur la figure 4, est défini par la relation suivante: en admettant que le réservoir qui lui est associé est de forme parallélépipédique. Les valeurs CS, So, Lo, L, e, , sont respectivement égales à la contrainte de fluage, la section initiale de l'éprouvette, la longueur utile de l'éprouvette, la longueur fictive du réservoir (correspondant à une longueur d'un réservoir de même surface mais de largeur l=e), épaisseur du plongeur, masse spécifique du liquide contenu dans le réservoir. La figure 3 est une représentation schématique d'un plongeur ayant une forme de révolution, associé à un réservoir cylindrique. Le profil inhérent à ce type de plongeur est défini par la relation suivante pour laquelle , So, Lo, L,correspondent aux mêmes données physiques que dans le cas du plongeur à épaisseur constante. Les dimensions a, b, c sont respectivement égales au rayon intérieur du plongeur, au rayon intérieur du réservoir, au rayon extérieur du réservoir. Les deux types de plongeurs représentés figures 3 et figure 4 compor tent une base de hauteur h variable constamment immergée permettant de compenser une partie du poids de l'équipage mobile et de solliciter ainsi l'éprouvette à de très faibles contraintes. La mesure d'allongement des éprouvettes utilise un capteur sans contact donc sans frottement, détectant le déplacement des mors inférieurs. Une tôle (17) pliée à 900 , rendue solidaire de l'équipage mobile par l'inter médiaire d'un axe, assure la réflexion du signal ultra-sonore émis par le transducteur émetteur (15) sur le transducteur récepteur (16). Ces deux transducteurs sont solidaires du socle (1) de la machine, donc fixes. Le principe de la mesure du déplacement de l'équipage mobile schématisé par la figure 5 consiste à comparer la phase 1 du signal émis, prise comme phase de référence, par rapport à la phase t2 du signal acoustique réfléchi. A un allongement Ex de l'éprouvette correspond un déplacement Ex de l'équipage mobile donc de la tôle de réflexion ce qui entraîne un raccourcis sement de 2 Llx du chemin parcouru par le signal ultra-sonore allant de l'émetteur vers le récepteur. Le traitement électronique consiste à intro duire le signal réfléchi de phase $2 après l'avoir amplifié et écrête à travers un ampli-trigger (19) ainsi que le signal de référence de phase +1 dans un comparateur (21). Le signal récupéré à la sortie de ce comparateur correspondant au déphasage entre +1 et 2, est rectangulaire et son rapport cyclique est proportionnel au retard du signal réfléchi par rapport au signal émis.Ce déphasage est alors converti en une tension continue dont le niveau est directement lié à l'allongement de l'éprouvette (7). L'ouverture au milieu du réservoir est nécesaire à l'installation du système de mesure de déplacement. Avant fluage, l'équipage est immobilisé sur la machine grâce à l'action magnétique de l'électro-aimant (6). L'éprouvette (7) est suspendue aux mors supérieurs (5) puis pincée dans les mors inférieurs (ô) immobilisés en position repos. A chaque valeur de contrainte à imposer correspond un plongeur particulier. Les plongeurs sont réalisés pour des valeurs prédéter- minées de contrainte, correspondant à des forces initiales de chargement, échelonnées par exemple de 0,05 en 0,05 Newton.Chaque plongeur nécessite un étalonnage préalable définissant d'une part le niveau de liquide initial du réservoir, c'est à dire équipage mobile en position repos et d'autre part la tare à ajouter à la masse de l'équipage, matérialisée par les masses d'étalonnages (11). Le début de l'essai de fluage est donné par la mise en charge de l'éprouvette. La variation de signal électrique liée au déplacement de l'équipage mobile donne directement l'allongement de l'échantillon. Son acquisition sur enregistreur classique permet d'avoir l'allongement de l'éprouvette en fonction du temps à contrainte imposée constante, donc la courbe de fluage. La machine, objet de l'invention est principalement destinée à l'étude des propriétés mécaniques des tissus mous in vitro à température ambiante. Cette machine permet de rechercher le comportement visqueux d'un matériau viscoélastique sujet à grande déformation en vue d'établir sa loi de comportement mécanique. REVENDICATIONS 1. Machine d'essai de fluage unidirectionnel sur éprouvette de tissu mou, du type comportant un dispositif d'application d'une force variable sur l'éprouvette et un moyen de mesure de l'allongement de cette éprouvet te, caractérisée en ce qu'elle possède un système de mise en charge instantanée de l'éprouvette (7) et un dispositif permettant de faire varier la force appliquée, inférieure à 2 Newtons, en fonction de l'allongement de cette éprouvette de manière à la solliciter à contrainte constante. 2. Machine d'essai de fluage unidirectionnel selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la force de fluage imposée à l'éprouvette (7) par l'intermédiaire de ses supports (8), résulte de la combinaison du poids d'un équipage mobile et d'une force variable engendrée par l'effet de la poussée d'Archimède sur un plongeur (10) solidaire de cet équipage. 3. Machine d'essai de fluage unidirectionnel selon la revendication 2, caractérisée par le fait que le plongeur (10) est associé à un réservoir (13) de petites dimensions dont le volume de liquide (14) reste constant au cours d'un même essai. 4. Machine d'essais de fluage unidirectionnel selon les revendications 2 et 3, caractérisée par le fait que les plongeurs sont nécessairement réalisés dans un matériau homogène de type "polystyrene expansé" de densité très inférieure à celle du liquide dans lequel ils se trouvent im mergés. 5. Machine d'essai de fluage unidirectionnel selon les revendications 2, 3 et 4, caractérisée par le fait que la géométrie du plongeur (10) est fonction de la contrainte imposée à l'éprouvette dont l'allongement provoque une variation de niveau du liquide (14) contenu par un réservoir (13) de géométrie intérieure fixée. 6. Machine d'essai de fluage unidirectionnel selon la revendication 1 ,caractérisée par un système de mise en charge instantanée comportant une plaque (9) solidaire de l'équipage mobile et un électro-aimant (6) solidaire du bâti de la machine dont le rôle est d'immobiliser l'équipage à une position repos avant fluage par accrochage magnétique de la-dite plaque. 7. Machine d'essai de fluage unidirectionnel selon la revendication 1, caractérisée par un moyen de mesure sans contact de l'allongement de l'éprouvette en cours d'essai de fluage, utilisant un capteur acoustique.