Brevet FR2733048A1 — publié le 19961018

DISPOSITIF DE MESURE DE DEFORMATIONS D'UNE EPROUVETTE SOUMISE A UN ESSAI DE CISAILLEMENT DESCRIPTION L'invention concerne un dispositif de mesure de déformations d'une éprouvette soumise à un essai de cisaillement. On sait que le cisaillement est difficile à reproduire correctement à l'état pur sans le mêler à de la flexion. Des dispositifs d'essai ont été conçus pour échapper autant que possible à cet inconvénient mais on peut leur reprocher soit des conditions opératoires compliquées, soit un domaine d'exactitude limité à des contraintes de faible intensité. On peut alors connaître le module de cisaillement G, c'est-à-dire le rapport de proportionnalité entre la charge appliquée et les déformations, mais pas à la contrainte maximale atteinte à la rupture ou auparavant. On dispose cependant d'une méthode satisfaisante fournie par Iosipescu et décrite dans le brevet français n"l 579 091, pour reproduire un cisaillement pur pendant tout l'essai. La figure 1 représente le dispositif utilisé.Une éprouvette 1 allongée, formée de deux ailes 2 réunies par une zone centrale 3 entaillée, est retenue par deux mâchoires 4 semblables qui enserrent chacune une des ailes 2 et présentent une portion d'appui 5 sur l'éprouvette 1 qui s'étend près de la zone centrale 3, de deux côtés opposés dans la direction d'application des charges. Les mâchoires sont mises en mouvement l'une vers l'autre, selon les flèches P, ce qui rapproche les portions d'appui 5 et cisaille la zone centrale 3. Des lèvres de retenue 6 des mâchoires 4 retiennent les ailes 2 sur le côté opposé à celui des surfaces d'appui 5, ce qui contribue à garantir la pureté du cisaillement dans la zone centrale 3. Des essais par photoélasticimétrie ont montré l'existence d'une bande de matière uniformément contrainte en cisaillement pur dans la zone centrale 3. Cette bande joint les fonds des entailles 7 de l'éprouvette 1 mais elle est étroite, d'autant plus que le procédé de Iosipescu s' accommode de petites éprouvettes qui renforcent son intérêt en réduisant le coût des essais. On ne peut donc songer à coller des jauges de contrainte sur une bande large de quelques millimètres pour mesurer les déformations de l'éprouvette 1. Et si on mesurait les déplacements des mâchoires 4, on intégrerait dans les calculs ultérieurs les déformations des ailes 2 et des portions latérales de la zone centrale 3, qui sont le siège de contraintes moins importantes et moins pures. Une tentative de mesure plus directe est explicitée dans le brevet américain n"5 033 309, où deux touches sont maintenues par des étriers contre l'éprouvette, des deux côtés de la zone centrale cisaillée et près de celle-ci. Les touches sont reliées à une paire de lames réunies par une traverse. Quand l'essai est produit, les étriers sont déplacés l'un par rapport à l'autre, et les lames sont fléchies.Des jauges de contrainte collées aux lames mesurent leurs déformations, ce qui permet de déduire les déplacements des étriers. Mais si l'imprécision des mesures est peut-être atténuée, elle n'est certainement pas éliminée à cause du grand écart des étriers et de leur grande surface d'appui sur l'éprouvette. On doit d'ailleurs remarquer que le truchement d'une mesure par une jauge de contrainte peut introduire une imprécision supplémentaire dans la mesure des déformations. Enfin, ce brevet décrit des éprouvettes formées de deux parties d'éprouvettes collées entre elles entre les entailles, ce qui rend la méthode plus admissible mais ne correspond pas aux conditions de l'invention où l'éprouvette doit en général être continue et homogène. Concrètement, les touches devant être suffisamment larges pour rester stables sous la pression des étriers s'appuieraient sur des surfaces relativement importantes dans lesquelles la déformation ne serait pas uniforme, ce qui interdirait toute mesure précise dans les conditions de l'invention. On entend ici proposer un système de mesures réellement représentatives des déformations dues au cisaillement dont la zone centrale de ce genre d'éprouvettes est le siège. On y parvient par un dispositif à deux étriers de forme spéciale, de petit volume et qui peuvent occuper l'espace très mesuré que leur laissent les mâchoires 4 près de la zone centrale 3, en profitant toutefois de la présence des entailles 7 établies sur la largeur de l'éprouvette pour l'affaiblir à l'endroit de la zone centrale 3. Avec la représentation de la figure 1, les étriers 9 et 10 sont visibles par leur section et, comme on le verra bientôt, ils s'étendent aussi devant les faces principales de l'éprouvette 1 et sont réunis entre eux tout en mesurant directement et avec précision des déplacements de glissement sur une distance très courte de l'éprouvette 1. Un dispositif conforme à l'invention comprend donc deux étriers munis de moyen de pincement de l'éprouvette en des paires respectives d'endroits situés en vis-à-vis et opposés selon l'épaisseur de l'éprouvette et un moyen de mesure de déplacements relatifs des étriers selon la largeur ; et, de façon originale, les étriers comprennent deux bras s'étendant selon la direction d'épaisseur et devant deux côtés de l'éprouvette opposés selon la direction de largeur, et deux montants s'étendant selon la direction de largeur et devant deux côtés de l'éprouvette incluant les endroits de pincement, un pion joignant chacun des bras au montant de l'autre étrier et permettant aux étriers de se déplacer mutuellement dans la direction de largeur tout en les assujettissant dans la direction de longueur de l'éprouvette.Les étriers ainsi construits et reliés entre eux et à l'éprouvette garantissent une bonne saisie des déformations de cisaillement, qu'on peut mesurer sans difficulté par un engin tel qu'un extensomètre, et leur encombrement est réduit. D'autres caractéristiques de l'invention seront décrites plus en détail à l'aide de la description des figures suivantes annexées à titre illustratif et non limitatif la figure 1, déjà décrite, représente les dispositifs d'essai à mâchoires et éprouvette entaillée sur lesquels l'invention trouve emploi, les figures 2 et 3 représentent des étriers 9 et 10, la figure 4 représente les étriers assemblés, la figure 5 représente la liaison des étriers à l'éprouvette et aux mâchoires, et la figure 6 représente le dispositif de mesure des déformations adjoint à cette invention. Dans cette description, la direction de longueur de l'éprouvette 1 désigne la direction principale des ailes 2, la direction de largeur coïncide avec la direction d'application des charges et la direction d'épaisseur est perpendiculaire au plan de la figure 1. L'étrier 9 de la figure 2 comprend essentiellement un bras 11, visible par sa section à la figure 1, et qui s'étend en travers de l'éprouvette 1 sous elle et dans la direction de son épaisseur. Le bras 11 est joint à un montant 12 qui s'élève de son extrémité et s'étend le long de l'éprouvette 1 en direction de sa largeur. Il porte à partir du montant 12 un perçage central 13, une saillie 14 échancrée et un trou oblong 15. Au sommet de la saillie 14, à côté de ltéchanc-rure, on trouve un perçage 16 qui fait face à un taraudage 17, coaxial à lui, établi sur le montant 12. Le montant 12 se termine par une console 18 pourvue d'un taraudage 19. Un dernier perçage 20 est opéré au sommet du montant 12. Tous ces perçages et taraudages s'étendent dans une même direction, qui correspond à la direction de largeur de l'éprouvette 1 quand les étriers 9 et 10 sont montés sur elle, à l'exception du perçage 16 et du taraudage 17 qui sont alors orientés dans la direction de son épaisseur. L'autre étrier 10 de la figure 3 est presque semblable si ce n'est qu'il ne comporte pas de console 18 ; que le taraudage 19 qu'elle portait à la figure 2, appelé ici 19', est situé tout au bout du bras 11, audelà du perçage oblong 15 ; et que la saillie échancrée, ici 14', est située de façon symétrique à celle 14 de l'étrier 9, c'est-à-dire que l'échancrure est placée de l'autre côté. il en va de même du perçage qu'elle porte, ici 16', et du taraudage 17' correspondant du montant 12 qui doit ici aussi être coaxial au perçage 16'. Les étriers 9 et 10 sont assemblés entre eux selon un montage que l'on pourrait appeler tête-bêche comme on le voit bien à la figure 4 : leurs bras 11 sont parallèles et leurs montants 12 sont placés chacun à une extrémité de l'assemblage devant une face principale respective de l'éprouvette 1, et ils sont orientés dans des directions opposées de façon que la face d'extrémité de chacun d'eux repose sur le bras 11 de l'autre étrier. Le bras 11 du second étrier 10 s'étend donc sur l'éprouvette 1. Dans ces conditions, chaque perçage 20 de montant 12 fait face au perçage oblong 15 de l'autre étrier, et on glisse des pions 21 dans l'alignement ainsi obtenu pour unir les étriers 9 et 10. Les perçages oblongs 15 ont en effet la même largeur que les perçages 20, ce qui interdit de décaler les étriers 9 et 10 latéralement, dans le sens de la longueur de l'éprouvette 1, ou de les faire pivoter. Un mouvement relatif selon l'épaisseur de l'éprouvette 1 est possible grâce à l'allongement des perçages oblongs 15 dans cette direction : les pions 21 y glissent alors. Les taraudages 19 et 19' sont alors occupés par des vis 22 qui servent à retenir des pattes 23 orientées parallèlement et superposées, aux extrémités desquelles se dressent des tiges 24 coaxiales et opposées s'étendant dans le sens de la largeur de l'éprouvette 1. On peut y serrer les couteaux 35 d'un extensomètre de genre connu 36, comme on le voit bien à la figure 6. La représentation exacte du montage des étriers 9 et 10 entre les mâchoires 4 et l'éprouvette 1 est complètement illustrée à la figure 5. Les mâchoires 4 sont entaillées chacune d'un perçage 25 dans lequel on engage un pion de centrage 26 qui est également engagé dans le perçage central 13 de l'étrier 9 ou 10 voisin. Les pions de centrage 26 permettent aux étriers 9 et 10 de se déplacer par rapport aux mâchoires 4 en pivotant autour d'eux et en coulissant le long d'eux. Les perçages 16 et 16' sont occupés par des pointeaux fixes 27, et les taraudages 17 et 17', qui traversent les montants 12, par des vis à pointeau 28. Les pointeaux 27 et 28 de chaque étrier sont antagonistes, dirigés l'un vers l'autre, et enserrent l'éprouvette 1 en la touchant par une paire de points opposés 30 et 31, ou 30' et 31', en vis-à-vis sur les faces principales opposées de l'éprouvette 1. Mais ces paires de points sont décalées le long de l'éprouvette 1 (voir à la figure 1) et subissent ainsi un déplacement mutuel dû au glissement de cisaillement.Au début du montage, les vis à pointeau 28 sont serrées avec une force suffisante pour qu'elles ne glissent pas sur l'éprouvette 1 au cours de l'essai. Cela explique qu'aucune liaison des étriers 9 et 10 entre eux et aux mâchoires 4 n'existe dans la direction d'application des forces de cisaillement : au début de l'essai, les étriers 9 et 10 reposent l'un sur l'autre mais ils s'écartent peu à peu avec le glissement que l'éprouvette 1 subit, et la figure 6 représente justement une position proche de la fin de l'essai dans lequel l'écart des niveaux des paires de pointeaux 27 et 28 est important. Cet écart est transmis aux pattes 23 et mesuré directement par extensomètre 26. les échancrures des saillies 14 et 14' laissent passage aux vis à pointeau 28 pendant la première partie de l'essai. Quand l'essai est consommé, on peut vérifier sa correction en examinant les faces principales de l'éprouvette 1 : les traces des pointeaux 27 et 28 doivent être coniques, mais sont ovales si les pointeaux 27 et 28 ont glissé. Les résultats de cet examen sont généralement satisfaisants en pratique. La force de serrage est ajustée par l'utilisateur en tournant convenablement les vis à pointeau 28, puis en les bloquant par un écrou de serrage 32 engagé sur elles et qu'on fait buter contre le montant 12. Il est possible d'obtenir directement la courbe des déformations en fonction des contraintes en reliant l'extensomètre 36 et le système de chargement des mâchoires 4 à un calculateur à traceur de courbes. Il faut simplement connaître la section de la zone centrale 3 à l'endroit le plus faible et l'écart longitudinal des paires de points d'appui 30, 31 et 30', 31'. Les courbes obtenues sont nettes et valables jusqu'à la rupture. Des vérifications ont permis de s'apercevoir que leur indications étaient correctes. Bien que des éprouvettes de natures variées soient susceptibles de se prêter à cette invention, une application jugée actuellement intéressante par le déposant est la caractérisation de matériaux composites, et notamment de ceux, anisotropes, qui ont une matrice de fibres organiques. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de déformations d'une éprouvette (1) soumise à un essai de cisaillement en une zone médiane (3) joignant deux ailes (2) s'étendant dans une direction de longueur de l'éprouvette, qui possède aussi des directions de largeur et d'épaisseur, l'essai étant réalisé par une machine pourvue de deux machoires (4) retenant chacune une des ailes (2) et mises en déplacement relatif dans la direction de largeur, le dispositif comprenant deux étriers (9, 10) munis de moyens de pincement (27, 28) de l'éprouvette (1) en des paires respectives d'endroits (30, 30', 31, 31') situés en vis-à-vis et opposés selon l'épaisseur de l'éprouvette et un moyen de mesure (36) de déplacements relatifs des étriers selon la largeur, caractérisé en ce que les étriers comprennent deux bras (11) s'étendant selon la direction d'épaisseur et devant deux côtés de l'éprouvette opposés selon la direction de largeur, et deux montants (12) s'étendant selon la direction de largeur et devant deux côtés de l'éprouvette incluant les endroits de pincement, un pion (21) joignant chacun des bras (11) au montant (12) de l'autre étrier et permettant aux étriers de se déplacer mutuellement dans la direction de largeur mais les assujettisant dans la direction de longueur. 2. Dispositif de mesure de déformations d'une éprouvette cisaillée suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les étriers (9) et (10) sont assemblés entre eux tête-bêche. 3. Dispositif de mesure de déformations d'une éprouvette (1) cisaillée suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les endroits de pincement sont ponctuels (30, 30', 31, 31') et les moyens de pincement consistent en une paire de pointeaux (27, 28) coaxiaux et opposés pour chacun des étriers (9, 10). 4. Dispositif de mesure de déformations d'une éprouvette cisaillée suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'un des pointeaux (28) de chacune des paires est situé au bout d'une vis engagée dans l'étrier (9 ou 10). - 5. Dispositif de mesure de déformations d'une éprouvette cisaillée suivant l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les pointeaux (27, 28) de chacune des paires sont respectivement reliés au montant (12) et à une saillie (14, 14') du bras (11) de l'étrier (9, 10) qui les comprend. 6. Dispositif de mesure de déformations d'une éprouvette cisaillée suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le moyen de mesure de déplacements relatifs des étriers est un extensomètre (36). 7. Dispositif de mesure de déformations d'une éprouvette cisaillée suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'extensomètre comprend des couteaux (35) serrés sur des tiges coaxiales (24) se dressant sur des pattes (23) superposées faisant partie des étriers respectifs. 8. Dispositif de mesure de déformations d'une éprouvette cisaillée suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chacun des étriers comprend une tige (26) qui s'étend dans un perçage (25) d'une des mâchoires (4), les tiges (26) pouvant coulisser et pivoter dans les perçages (25).