Brevet FR2777682A1 — publié le 19991022

SIMULATEUR DE CHOCS DESCRIPTION On décrira ici un simulateur de chocs, destiné en particulier à simuler des tremblements de terre sur des terrains tels que des bassins sédimentaires. De telles simulations rendent souhaitable l'emploi d'éprouvettes représentatives d'un terrain étendu, mais il est impossible de construire des appareils ayant une taille correspondante. C'est pourquoi on souhaite travailler sur des éprouvettes constituant des modèles réduits du terrain à étudier. Il est possible de reproduire le comportement du terrain en vraie grandeur si le rapport d'échelle entre le terrain et l'éprouvette en modèle réduit est compensé par un rapport d'accélération identique. En d'autres termes, si on soumet l'éprouvette à une accélération égale par exemple à 10 ou 100 fois la gravité, son comportement aux chocs sera identique à celui d'un terrain naturel 10 ou 100 fois plus étendu en longueur. Une telle accélération peut être obtenue dans une centrifugeuse, mais il faut y placer non seulement l'éprouvette mais le simulateur, ce qui pose des problèmes considérables puisque le volume et le poids de l'ensemble qu'on peut embarquer dans une centrifugeuse sont strictement limités. Un objet fondamental de l'invention est pourtant de résoudre ces difficultés par la construction d'un simulateur de chocs de faible volume et faible poids, pouvant être chargé dans une centrifugeuse créant une gravité artificielle beaucoup plus grande que la naturelle, et qui est facile à télécommander. Un autre objet de l'invention est rendre un tel simulateur apte à produire des chocs dont les caractéristiques d'intensité et d'impulsion sont bien déterminées et réglables, ce qui n'est pas le cas avec les simulateurs actuels, à chute de masse ou à déflagration d'une matière explosive, dont on ne peut bien maîtriser la forme d'onde, même en intercalant un filtre mécanique; on doit ajouter que les explosions ne sont pas bien reproductibles, même si on s'efforce de recréer des conditions d'expérience identiques d'un essai à l'autre. Le simulateur proposé ici est donc apte à servir utilement hors d'une centrifugeuse, sous gravité normale. Sous sa forme la plus générale, l'invention peut ainsi être définie comme un simulateur de chocs, comprenant: un bâti; une enveloppe extérieure liée au bâti; une enveloppe intérieure mobile dans une direction de translation dans le bâti et formant une chambre extérieure avec l'enveloppe extérieure; des moyens de gonflage de la chambre extérieure; une tige fixée au bâti et s'étendant dans la direction de translation; une soupape à siège fixé à l'enveloppe intérieure et opercule fixé à la tige; un élément de percussion relié à l'enveloppe intérieure, opposé à l'enveloppe extérieure et dirigé vers une éprouvette; des mâchoires reliées à l'enveloppe intérieure mais mobiles perpendiculairement à la tige de façon à entrer dans des creux de la tige et à en sortir; et des moyens de déplacement des mâchoires. L'énergie de pression qui simule le choc peut être contenue dans une structure légère et facilement libérée par télécommande, en ouvrant une vanne ou un dispositif du même genre. L'onde de choc simulée peut être réglée si l'opercule présente une partie coulissant dans le siège, entre la chambre extérieure et un volume ouvert, qui est munie de rainures s'étendant dans la direction de translation jusqu'à un rebord d'appui sur le siège situé dans la chambre extérieure; et mieux encore si cet opercule est amovible de la tige et si l'élément de percussion est aussi amovible. Un mode de réalisation qui se prête bien à la télécommande est caractérisé en ce que les mâchoires sont prolongées à l'opposé de la tige par des axes à extrémité libre engagée dans des chambres de gonflage, les axes étant rappelés à une position de sortie des creux par des moyens élastiques (qui appartiennent aux moyens de déplacement des mâchoires); les moyens de déplacement des mâchoires peuvent encore comprendre des moyens de gonflage des chambres de gonflage, ces moyens étant munis d'une électrovanne de dégonflage pouvant être télécommandée; enfin, les moyens de gonflage peuvent comprendre des conduits finissant sur des vannes à ouverture et fermeture manuelles. L'invention sera décrite plus en détail à l'aide des figures suivantes, qui en illustrent un mode de réalisation préféré: * la figure 1 est une vue générale du dispositif permettant la simulation, * la figure 2 est une vue du simulateur proprement dit, * la figure 3 illustre le simulateur à l'état déchargé, o il a frappé l'éprouvette et produit le choc, et la figure 4 est une coupe d'un détail de la figure 2. Une centrifugeuse 1 est représentée à la figure 1; elle est entraînée par un moteur 2 à l'arbre de sortie 3 duquel est fixé un bras 4 perpendiculaire, tournoyant quand le moteur 2 est mis en marche. L'extrémité de ce bras 4 porte une nacelle 5 contenant le simulateur 6 conforme à l'invention. Le simulateur 6 porte une éprouvette 7 qui subira le choc. En abordant la figure 2, on s'aperçoit que le simulateur 6 comprend un bâti 8 muni de pieds 9 en colonnes parallèles et appuyés sur le fond de la nacelle 5 (ou vissés à une autre face de la nacelle 5, selon l'essai à entreprendre). L'autre extrémité des pieds 9 porte des moyens de fixation de l'éprouvette 7, à savoir des rondelles 10 à vis 11 de pressage de bagues 12 appartenant à une armature 37 de l'éprouvette 7; les bagues 12 sont engagées sur des extrémités amincies 13 des pieds 9 et butent contre un épaulement 14 terminant ces extrémités amincies 13. Le bâti 8 porte une enveloppe externe en forme de cloche 15, à la convexité dirigée vers le fond de la nacelle 5; elle est munie d'un capteur de pression 16, d'une soupape de sûreté 17 et d'un embout de gonflage 18 raccordé à un conduit flexible 19 finissant sur une vanne 20 manuelle. Une chambre extérieure 21 est délimitée entre la cloche externe 15 et une cloche interne 22 sensiblement concentrique à la précédente et qui finit sur une collerette 23 cylindrique entourée par le bâti 8; un joint torique 24 pressé entre la collerette 23 et le bâti 8 isole la chambre extérieure 21. Un plateau 25 est fixé à la collerette 23 et porte une plaque de percussion 26, d'élastomère ou d'une autre matière, choisie à volonté et pouvant être remplacée, qui est dirigée vers l'éprouvette 7 et destinée à la frapper. Le plateau 25 porte encore, à l'opposé de la plaque de percussion 26, c'est-à-dire vers la cloche interne 22, des mors 27 comprenant chacun une mâchoire 28, un axe 29 dont une extrémité est unie à la mâchoire 28, une noix 30 (un petit boîtier) dans la cavité de laquelle pénètre l'extrémité opposée de l'axe 29, et un empilement de rondelles Belleville 31 dans la noix 30, comprimé entre une face de la noix 30 dirigée vers la mâchoire 28 et une rondelle 32 au bout de l'axe 29. Un réseau de perçages 33 est opéré dans le plateau 25 et les noix 30 pour emplir de gaz des chambres intérieures 34 que celles-ci enclosent. Un embout 35 de gonflage est encore prévu à l'extrémité donnant sur l'extérieur du réseau de perçages 33; un conduit flexible 47, dont l'autre extrémité finit en une vanne 48 manuelle, est branché sur l'embout 35, et il porte une électrovanne 49. L'appareil comprend enfin une tige 36 centrale, solidaire de l'armature 37 de l'éprouvette 7, autour de laquelle est vissé un manchon 38 muni de creux 39 taillés au profil des mâchoires 28, porteuse également de la partie mobile 51 d'une soupape 40 dont le siège 41 est solidaire de la cloche externe 22. La soupape 40 comprend en particulier un opercule 42 à rebord extérieur 43 pouvant s'appuyer sur la face extérieure du siège 41 (et s'étendant dans la chambre extérieure 21), et un coussinet 44 entaillé de rainures axiales coulissant dans le siège 41 et prolongeant l'opercule 42. La figure 4 est une coupe du coussinet 44 dans le siège 41; on voit que les rainures 45 établissent une communication à travers la soupape 40 et la cloche externe 22, pour peu que le rebord extérieur 43 soit décollé du siège 41. La préparation d'un essai de choc comprend tout d'abord des étapes de gonflage: la vanne 49 du conduit flexible 47 est raccordée à une pompe non représentée pour gonfler les chambres intérieures 34 à forte pression, 200 bars par exemple, jusqu'à ce que cette pression pesant sur les extrémités des axes 29 repousse ceux-ci et les mâchoires 28 vers le manchon 38, faisant pénétrer le bout des mâchoires 28 dans les creux 39: l'équipage mobile comprenant en particulier les mors 27, le plateau 25, la plaque de percussion 26 et la cloche interne 22 reste fixé à l'armature 37 et au bâti 8, dans une position o la soupape 40 est fermée. La pompe est ensuite raccordée à la vanne 20 du conduit flexible 19 pour faire entrer du gaz dans la chambre extérieure 21, à une pression qui est toutefois moindre, 70 bars par exemple, et qui dépend de l'intensité de choc qu'on souhaite produire; le capteur de pression 16 permet de régler cette pression, et la soupape de sûreté 17 s'ouvre si une pression excessive est introduite par une fausse manoeuvre. La pompe est ensuite débranchée, puis le simulateur de chocs 6 est installé dans la nacelle 5 s'il ne l'était pas déjà, et la centrifugeuse 1 est mise en marche. Les vannes manuelles 20 et 49, ouvertes pendant le gonflage, sont évidemment refermées avant de débrancher la pompe. Quand l'accélération souhaitée est atteinte, l'essai de choc peut être entrepris, et on ouvre l'électrovanne 48. La chute de pression consécutive dans les chambres intérieures 34 provoque la détente de l'empilement de rondelles Belleville 31 et le recul des mâchoires 28, ce qui libère l'équipage mobile: le gaz contenu dans la chambre extérieure 21 se détend alors à son tour et projette la cloche interne 22, le plateau 25 et la plaque de percussion 26 vers l'éprouvette 7, l'équipage mobile glissant le long des pieds 9 et du manchon 38. L'état résultant est représenté à la figure 3. On remarque, et c'est une caractéristique importante de l'invention, que la soupape 40 s'est ouverte juste après le début du choc, les rainures 45 faisant communiquer le gaz de la chambre extérieure 21 à un volume 46 englobé par la cloche interne 22 et qui s'ouvre sur l'extérieur pour rester à la pression atmosphérique: les fuites produites alors ont pour conséquence d'atténuer la poussée sur la cloche interne 22 et donc d'influer sur l'énergie cinétique et la quantité de mouvement qui seront finalement communiquées à la plaque de percussion 26. Les rainures 45 sont calibrées, c'est-à- dire que leur section est choisie pour donner un débit de fuite et donc une vitesse de décroissance de la pression déterminés. L'opercule 42 est amovible et peut être remplacé par un autre, dont les rainures sont différentes, si on veut changer les conditions du choc; on peut d'ailleurs concevoir de se passer de ces rainures dans certains essais, ce qui permettrait de ne pas utiliser la soupape 40. La plaque de percussion 26 est aussi amovible (elle peut être unie au plateau 25 par des vis 50), son épaisseur, son élasticité et sa dureté étant choisies en fonction du choc à simuler. Ces deux éléments amovibles permettent donc de reproduire assez bien les ondes de choc réelles; des essais préliminaires, menés avec des plaques de percussion, des rainures de fuite et des pressions de gonflage différentes, donnent les formes d'onde créées. On voit aussi que seule une télécommande d'ouverture de l'électrovanne 48 est nécessaire pour déclencher5 l'essai, le simulateur 6 étant coupé de l'extérieur par ailleurs quand la centrifugeuse 1 tourne. REVENDICATIONS 1. Simulateur de chocs, comprenant: un bâti (8, 37); une enveloppe extérieure (15) liée au bâti; une enveloppe intérieure mobile (22) dans une direction de translation dans le bâti et formant une chambre extérieure (21) avec l'enveloppe extérieure (15); des moyens de gonflage (18, 19, 20) de la chambre extérieure; une tige (36, 38, 51) fixée au bâti (8) et s'étendant dans la direction de translation; une soupape (40) à siège (41) fixé à l'enveloppe intérieure et opercule (42) fixé à la tige; un élément de percussion (26) relié à l'enveloppe intérieure, opposé à l'enveloppe extérieure et dirigé vers une éprouvette (7); des mâchoires (28) reliées à l'enveloppe intérieure mais mobiles perpendiculairement à la tige (36, 38, 51) de façon à entrer dans des creux (39) de la tige et à en sortir; et des moyens (33, 34, 35, 47, 48, 49) de déplacement des mâchoires. 2. Simulateur de chocs selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'opercule (42) présente une partie (44) coulissant dans le siège (41), entre la chambre extérieure (21) et un volume ouvert (46), qui est munie de rainures (45) s'étendant dans la direction de translation jusqu'à un rebord (43) d'appui sur le siège (41) situé dans la chambre extérieure (21). 3. Simulateur de chocs selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'opercule (42) est amovible de la tige. 4. Simulateur de chocs selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément de percussion (26) est amovible. 5. Simulateur de chocs selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément de percussion est élastique. 6. Simulateur de chocs selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les mâchoires (28) sont prolongées à l'opposé de la tige (36, 38, 51) par des axes (29) à extrémité libre engagée dans des chambres de gonflage (34), les axes étant rappelés par des moyens élastiques (31) à une position de sortie des creux (39) qui appartiennent aux moyens de déplacement des mâchoires. 7. Simulateur de chocs selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de déplacement des mâchoires comprennent des moyens de gonflage des chambres de gonflage, ces moyens étant munis d'une électrovanne de dégonflage (48) pouvant être télécommandée. 8. Simulateur de chocs selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de gonflage comprennent des conduits (19, 47) finissant sur des vannes (20, 49) à ouverture et fermeture manuelles.