Brevet FR2738063A1 — publié le 19970228

La présente invention concerne une installation pour effectuer des essais de fatigue, par exemple des essais de flexion, sur des pièces soumises à une ambiance hygrothermique en utilisation réelle. Dans une application particulière, quoique non exclusive, de l'invention, les pièces à étudier sont réalisées en matière composite à matrice organique, c'est-à-dire une matière constituée de résine organique (époxyde, polyester, ...) renforcée par une armature en fibres (verre, carbone, ...), mais il va de soi que l'installation pourrait s'appliquer à des pièces réalisées en d'autres matières, sans sortir du cadre de l'invention. D'une façon générale, on sait que les propriétés mécaniques de pièces peuvent varier notamment en fonction des conditions de température, d'humidité et de durée d'exposition, auxquelles elles sont soumises. Aussi, il est impératif de préparer initialement ces pièces avant de procéder aux essais, en particulier lorsqu'elles sont réalisées en une matière composite, laquelle est très sensible aux conditions hygrothermiques. Jusqu'à présent, les essais de fatigue nécessitent de placer tout d'abord les pièces dans des étuves ou analogues à des conditions hygrothermiques déterminées, pendant une durée pouvant atteindre plusieurs mois, de façon que lesdites pièces atteignent leur état d'équilibre saturé. Après cette longue préparation, la pièce est agencée sur un appareillage d'essai de flexion par exemple. Pour réaliser un nombre de cycles appropriés et permettre ainsi une étude approfondie et fiable du comportement des pièces, les essais requièrent une durée de plusieurs jours. Or, on sait que la vitesse de désorption de l'eau contenue dans la matière composite des pièces est très rapide. Quelques heures suffisent pour que le polymère désorbe la quasi-totalité de la masse d'eau à saturation d'une pièce qui a nécessité plusieurs semaines de sorption pour qu'elle soit amenée aux conditions hygrothermiques imposées par l'essai. Ainsi, puisque le temps imparti pour les essais est nettement plus grand que le temps d'exploitation réelle de ces pièces, les résultats de ces essais sur des pièces notamment en matière composite s'avèrent incomplets, voire superficiels et, en conséquence, ne permettent pas d'obtenir une étude approfondie de leur comportement en utilisation réelle dans une telle ambiance hygrothermique, par exemple, leur sensibilité à l'apparition des premiers dommages et, par suite, la propagation de ces derniers.En effet, ces dégradations des propriétés mécaniques desdites pièces en composites hydratés qui en résultent, proviennent, d'une part, de la plastification du réseau macromoleculaire par l'eau, l'humidité absorbée abaissant la température de transition vitreuse des matrices et pouvant les endommager de même que les zones interfaciales des composites et, d'autre part, de la formation de fissures et de microvides dans la matrice et l'interphase qui se manifestent notamment à température et à humidité relative élevées. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne une installation pour effectuer des essais de fatigue sur des pièces soumises à une ambiance hygrothermique en utilisation réelle, dont la conception permet de réaliser des cycles d'essais de longue durée, et cela sous des conditions hygrothermiques quelconques. A cet effet, l'installation pour effectuer des essais de fatigue, notamment de flexion, sur des pièces soumises à une ambiance hygrothermique en utilisation réelle, du type comportant un appareillage d'essais apte à recevoir ladite pièce à tester, est remarquable, selon l'invention, en ce qu'elle comprend - au moins une enceinte étanche, à l'intérieur de laquelle est agencée au moins une partie dudit appareillage rece vant ladite pièce à tester ; et - des moyens pour alimenter ladite enceinte étanche par un courant fluidique qui la traverse, à hygrométrie et température contrôlées. Ainsi, grâce à l'invention, on reproduit l'ambiance hygrothermique, aux conditions de température et d'humidité souhaitées, à l'intérieur de l'enceinte où se trouve la pièce à tester, laquelle est aux mêmes conditions, ce qui permet de réaliser en totalité les essais de fatigue nécessaires, sans limitation de temps, et de connaître, par conséquent, l'évolution du comportement de la pièce soumise à une telle ambiance hygrothermique, qu'elle soit réalisée en matière composite ou autre. Par exemple, on peut déterminer, à partir d'essais de flexion statique ou dynamique, la sensibilité de la pièce à l'apparition des premiers dommages, et la propagation de ceux-ci qui en résulte. Avantageusement, l'installation comporte une pluralité d'enceintes étanches auxquelles sont respectivement associés des appareillages d'essais. Grâce à cet agencement, on peut mener à bien autant d'essais sur différentes ou mêmes pièces à tester qu'il y a d'enceintes étanches, ce qui permet de gagner un temps précieux et de réaliser une multitude d'essais en jouant notamment sur les conditions hygrothermiques, sur le type d'essais à pratiquer et sur les pièces à tester. De préférence, lesdites enceintes étanches sont reliées en parallèle auxdits moyens d'alimentation, ce qui permet d'avoir rigoureusement les mêmes conditions hygrothermiques dans lesdites enceintes et de pouvoir effectuer simultanément lesdits essais de fatigue. En variante, toutefois, lesdites enceintes étanches pourraient être reliées en série auxdits moyens d'alimentation. Dans un mode préféré de réalisation, ladite enceinte étanche est définie par un boîtier apte à recevoir, avec étanchéité vis-à-vis de l'extérieur, au moins la partie correspondante dudit appareillage, et à l'intérieur duquel peut circuler ledit courant fluidique. En particulier, ledit boîtier peut présenter une forme parallélépipédique et se composer d'un fond, d'une ceinture latérale et d'un couvercle assemblés fixement entre eux, de façon étanche, et insensibles aux conditions hygrothermiques du courant fluidique. En ce qui concerne lesdits moyens d'alimentation, ils comprennent, par exemple, une centrale hygrothermique, munie de moyens pour contrôler l'humidité et la température dudit courant fluidique engendré, et au moins une tuyauterie reliée, en boucle fermée, à ladite centrale et sur laquelle est disposée ladite enceinte étanche. La centrale est telle qu'elle peut conditionner les enceintes étanches isothermes jusqu'au volume de celles-ci. Par ailleurs, une autre tuyauterie est agencée en boucle fermée, sur ladite centrale hygrothermique, reliant directement la sortie à l'entrée de ladite centrale par lesquelles circule ledit courant fluidique. Cette tuyauterie a pour but d'agir sur la vitesse de sortie du courant fluidique en la régulant à une vitesse acceptable et constante dans les enceintes, pour ne pas entraîner de perturbations lors des essais de fatigue en flexion. En outre, lesdites tuyauteries sont entourées, chacune, d'un manchon isolant. De préférence, lesdits moyens de contrôle de l'humidité et de la température comprennent un psychromètre à thermocouple. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 représente, schématiquement, un exemple de réalisation d'une installation d'essais de fatigue, conforme à l'invention. La figure 2 représente, en perspective, une enceinte étanche de l'installation, contenant la pièce à tester par l'appareillage d'essais et dans laquelle circule un courant fluidique. L'installation 1 pour réaliser des essais de fatigue sur des pièces en ambiance hygrothermique sévère, montrée sur la figure 1, comporte dans cet exemple de réalisation, deux appareillages 2 d'essais de flexion dans ce cas, dans lesquels sont respectivement agencées des pièces à tester 3. Ces deux appareillages 2 sont structurellement identiques et comprennent, chacun, un support 4, deux appuis 5 liés au support et recevant, selon deux lignes de contact parallèles L, l'une des faces de la pièce à tester 3, et un organe déplaçable 6 susceptible d'appliquer, sur l'autre face opposée de la pièce, une force ou une déformation située à égale distance des appuis. Des moyens de mesure comportant notamment un capteur d'effort 7 associé à chaque organe 6, sont par ailleurs prévus pour déterminer les rigidités des pièces soumises à des sollicitations statiques ou dynamiques des forces d'application. Ces appareillages définissent, de façon connue et à titre d'exemple, des montages de flexion dénommés "à trois points" (les deux appuis et la force d'application sur la pièce à tester). Les pièces à tester 3 sont réalisées en une matière composite comme il est spécifié préalablement, et sont destinées à être exposées à une ambiance hygrothermique en utilisation réelle. Aussi, pour étudier efficacement le comportement de la matière constitutive de ces pièces, notamment soumises à des essais de flexion, qui ont été initialement préparées à des conditions d'humidité et de température prédéterminées, et pour maintenir ces conditions pendant la durée totale des essais, l'installation selon l'invention comprend des enceintes étanches 8 à l'intérieur desquelles sont agencés respectivement les appareillages 2 recevant lesdites pièces 3, et des moyens 9 pour alimenter chaque enceinte par un courant fluidique à hygrométrie et température contrôlées. De cette façon, les pièces sont constamment maintenues aux conditions hygrothermiques souhaitées pendant la durée totale des essais qui peut atteindre plusieurs jours. Ainsi, le comportement des matériaux composites constituant ces pièces est davantage connu et analysé, tel que par exemple l'apparition des premiers dommages et la propagation de ces derniers qui s'ensuit dans les pièces, ce qui permet notamment de statuer sur le rôle bénéfique ou maléfique joué par l'eau sur le comportement mécanique d'un polymère ou d'un composite. En particulier, comme le montre la figure 2, chaque enceinte étanche 8 est définie par un boîtier 10 ayant une forme sensiblement parallélépipédique et constitué d'un fond lOA, d'une ceinture latérale lOB et d'un couvercle lOC dont l'assemblage, réalisé par des vis et/ou par collage, est rendu rigoureusement étanche par l'utilisation de joints appropriés. Ce support 4 de l'appareillage 2 représente est monté sur une partie inférieure 11 de ce dernier, qui traverse le fond lOA du boîtier, grâce à un passage 10D menage dans celui-ci. L'étanchéité à ce niveau est évidemment assurée, par exemple, par un caoutchouc liquide silicone qui polymérise in-situ, en aérobiose, lors de la fixation du boîtier sur la partie inférieure de l'appareillage. Le support 4 et les appuis 5 sur lesquels s'applique la pièce sont situes à l'intérieur du boîtier 10, c'est-à-dire dans l'enceinte 8. Un évidement 10E est, par ailleurs, aménagé dans le couvercle lOC du boîtier, pour permettre le passage, selon un mouvement alternatif, de la partie active 12 de l'organe déplaçable 6 de l'appareillage. Bien qu'elle ne soit pas visible sur les figures, une membrane en caoutchouc silicone est fixée sur le çouvercle, minimisant les déperditions de chaleur humide par convection et isolant le capteur d'effort de toute influence due à la chaleur humide. Ainsi, chaque appareillage 2 est partiellement contenu dans l'enceinte étanche correspondante 8. Pour faire circuler, à l'intérieur de chaque enceinte 8, un courant fluidique à hygrométrie et température contrôlées, les moyens 9 comprennent une centrale hygrothermique 14 susceptible de délivrer un courant fluidique tel que de l'air à une température s'echelonnant entre 40 et 1000C et humidité ambiante pouvant atteindre 97% à 950C. Cette centrale 14 est munie d'une turbine 15 pour adresser le courant fluidique en direction des enceintes, et de moyens de contrôle de la température et de l'hygrométrie 16. Plus particulièrement, chaque enceinte 8 est traversee par une tuyauterie respective 17, 18 reliee, en boucle fermée, à la centrale 14. Ainsi, on voit sur les figures 1 et 2, que la tuyauterie 17 est issue d'un collecteur d'alimentation 19 de la centrale, puis débouche dans l'enceinte correspondante 8, par l'intermédiaire d'un raccord 20 monté dans une ouverture 10F ménagée dans la ceinture latérale lOB du boîtier 10, et sort de celle-ci par un autre raccord 20 prévu autour d'une ouverture 10G ménagée en opposition dans ladite ceinture lOB, pour se connecter sur un collecteur de retour 21 de ladite centrale hygrothermique 14. Il en va de même pour la tuyauterie 18 qui est issue du collecteur d'alimentation 19, et sur laquelle est montée l'enceinte concernée 8 via les ouvertures 10F et 10G et les raccords 20, pour retourner vers le collecteur de retour 21. Dans cette réalisation, les deux enceintes 8 de l'installation sont reliées en parallèle à ladite centrale, via les tuyauteries respectives 17, 18, ce qui permet de minimiser les déperditions calorifiques et d'avoir dans les enceintes les mêmes conditions hygrothermiques simultanément. Comme le montre la figure 1, une troisième tuyauterie 22 relie le collecteur d'alimentation 19 au collecteur de retour 21 de la centrale hygrothermique 14. Cette tuyauterie 22 a pour finalité de satisfaire les faibles vitesses du courant fluidique ou flux d'air à l'arrivée des enceintes étanches isothermes 8. En effet, puisque les vitesses en sortie de la turbine 15 sont trop élevées pour pouvoir alimenter convenablement les enceintes, ce qui risque, par conséquent, de perturber l'essai de fatigue en flexion, cette tuyauterie 22 permet de diminuer les vitesses du courant fluidique en sortie du collecteur d'alimentation 19 en ramenant directement au collecteur de retour 21 une quantité énergétique de ce courant fluidique. L'ensemble des tuyauteries 17, 18 et 22 est isolé hygrothermiquement par un manchon protecteur 23 réalisé en une matière organique alvéolaire, par exemple une mousse de polyéthylène, et enrobant chaque tuyauterie. En ce qui concerne les moyens de contrôle 16 de la température et de l'hygrométrie, ils comprennent un psychromètre à thermocouple à mesures de températures sèche et humide, d'un type connu en soi et utilisant deux thermocouples pour communiquer l'humidité relative du courant fluidique délivré par la centrale 14. Bien évidemment, une unité de commande programmable, non représentée et à laquelle sont entrées les données relatives aux conditions hygrothermiques, aux types de pièces testées, etc ... et sont reliés les capteurs des appareillages d'essais ou autres, permet de traiter les différentes informations et de délivrer les résultats des différents essais. Grâce à cette installation 1 qui pourrait comporter, par ailleurs, un nombre différent d'enceintes étanches, le courant fluidique à température et humidité contrôlées, engendré par la centrale, circule dans les tuyauteries concernées et autour des pièces composites 3 situées dans les enceintes respectives 8. De cette façon, les pièces conservent, durant les essais, leurs hygrometrie et température, acquises lors de leur préparation initiale, si bien que les essais peuvent se dérouler, sans limitation de durée, pendant plusieurs jours, dans les conditions qui reproduisent fidèlement celles auxquelles les pièces sont soumises en conditions réelles d'utilisation. Des essais comparatifs de pièces composites soumises, d'une part, à une ambiance hygrothermique saturée en eau (par exemple, température de 7O0C et humidité relative de 85%) et, d'autre part, à une ambiance usuelle (température de 230C et humidité relative de 55%) ont été réalisés, en subissant une sollicitation de flexion ondulée sous une amplitude de déformation constante. Les resultats ont mis notamment en évidence une initiation prématurée des premiers dommages avec une plus grande sensibilité à leur propagation pour les pièces composites situées en ambiance hygrothermique sévère. REVENDICATIONS 1. Installation pour effectuer des ' essais de fatigue, notamment de flexion, sur des pièces soumises à une ambiance hygrothermique en utilisation réelle, du type comportant un appareillage d'essais apte à recevoir ladite pièce à tester, caractérisée en ce qu'elle comprend - au moins une enceinte étanche (8), à l'intérieur de laquelle est agencee au moins une partie dudit appareil lage (2) recevant ladite pièce à tester ; et - des moyens (9) pour alimenter ladite enceinte étanche (8) par un courant fluidique qui la traverse, à hygrométrie et température contrôlées. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité d'enceintes étanches (8) auxquelles sont respectivement associés des appareillages d'essais (2). 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites enceintes étanches (8) sont reliées en parallèle auxdits moyens d'alimentation (9). 4. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites enceintes étanches (8) sont reliées en serie auxdits moyens d'alimentation (9). 5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite enceinte etanche (8) est définie par un boîtier (10) apte à recevoir, avec étanchéité vis-à-vis de l'extérieur, au moins la partie correspondante dudit appareillage (2), et à l'intérieur duquel peut circuler ledit courant fluidique. 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit boîtier (10) présente une forme parallélépipédique et se compose d'un' fond (1ou), d'une ceinture latérale (lOB) et d'un couvercle (10C) assemblés fixement entre eux, de façon étanche, et insensibles aux conditions hygrothermiques du courant fluidique. 7. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que lesdits moyens d'alimentation (9) comprennent une centrale hygrothermique (14), munie de moyens pour contrôler l'humidité et la température dudit courant fluidique engendré, et au moins une tuyauterie (17, 18) reliée en boucle fermée à ladite centrale (14) et sur laquelle est disposée ladite enceinte étanche. 8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'une autre tuyauterie (22) est agencée, en boucle fermée, sur ladite centrale hygrothermique (14), reliant directement l'alimentation (19) au retour (21) de ladite centrale par lesquelles circule ledit courant fluidique. 9. Installation selon les revendications 7 et 8, caractérisée en ce que lesdites tuyauteries (17, 18, 22) sont entourées, chacune, d'un manchon isolant (23). 10. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que lesdits moyens de contrôle (16) de l'humidité et de la température comprennent un psychromètre à thermocouple et en ce que la circulation du courant fluidique est assurée par une turbine (15) contenue dans ladite centrale hygrothermique (14).