Brevet FR2858055A1 — publié le 20050128

La présente invention concerne un banc d'essai universel permettant la caractérisation des lois de comportement statique et dynamique de tous matériaux, en traction, compression, ou cisaillement. De nombreux essais sur diverses machines ont été réalisés pour tenter de 5 définir les lois de comportement des matériaux plastiques (métaux, matières plastiques, composites ou autres). Mais les différentes installations mises en oeuvres ne donnent pas satisfaction, notamment en terme de précision et de fiabilité des résultats obtenus. L'invention définie ci-après remédie à ces inconvénients en proposant un banc 10 d'essai caractérisé par le fait qu'il comporte: - au moins un support pour une éprouvette-test, lequel support se présente sous la forme d'une barre longitudinale portée par un bâti, laquelle barre est munie de moyens de fixations de ladite éprouvette à l'une de ses extrémités, - des moyens aptes à venir appliquer une force impactante sur ladite éprouvette (ceci 15 directement ou indirectement), - des moyens de mesure d'au moins un type d'effort supporté par ladite éprouvette, au moment ou suite à l'impact reçu, et - des moyens électroniques/informatiques de traitement et d'analyse des données fournies par lesdits moyens de mesure. De préférence, la barre support d'éprouvette est équipée de jauges de contrainte pour mesurer les efforts soumis à l'éprouvette; et il est prévu des moyens de mesure de la déformation de l'éprouvette, ainsi que des moyens de mesure de la vitesse des moyens impactants, pour obtenir une caractérisation intéressante des lois de comportement du matériau étudié, ceci à une vitesse de déformation donnée. D'autres types de mesures peuvent être envisagés. En particulier, on peut prévoir des moyens permettant la mise en oeuvre du principe d'intercorrélation d'images numériques, pour étudier le champ local de déplacement d'une zone de l'éprouvette, en vue de déterminer le module d'élasticité et le coefficient de poisson du matériau testé. Selon une autre caractéristique, le banc d'essai conforme à l'invention comporte des moyens impactants constitués d'une masse guidée sur le bâti selon une direction parallèle à l'axe de la barre support d'éprouvette, laquelle masse est associée à tout type de moyens aptes à lui conférer une vitesse appropriée. Selon une autre caractéristique, la barre support d'éprouvette a une longueur 35 de plusieurs mètres de manière à limiter la perturbation des mesures par les ondes retour. Selon une première forme de réalisation possible, le banc d'essai comporte une barre support d'éprouvette fixée sur le bâti au niveau de l'une de ses extrémités et munie au niveau de son autre extrémité de moyens de fixation d'une première extrémité de l'éprouvette; il comporte également un dispositif martyre muni de moyens 5 de fixation de l'autre extrémité de l'éprouvette et guidé sur ledit bâti dans une direction parallèle à celle des moyens impactants, lesquels moyens impactants sont adaptés pour venir impacter ledit dispositif martyre de manière à solliciter l'éprouvette en traction ou en cisaillement. Pour un banc d'essai destiné à la sollicitation d'éprouvettes en traction, lesdites 10 éprouvettes ont avantageusement une forme générale de H plat dont les parties d'extrémités parallèles sont munies de moyens qui permettent leur fixation sur la barre support et sur le dispositif martyre, et dont la partie centrale constitue la partie d'échantillon testée. Selon une autre forme de réalisation possible, le banc comporte une masse 15 impactante adaptée pour venir frapper directement l'extrémité libre de l'éprouvette fixée sur son support longitudinal, de manière à solliciter ladite éprouvette en compression. Dans ce cadre, les éprouvettes testées ont avantageusement une forme générale parallélépipédique ou cylindrique. Selon une autre particularité, des dispositifs amortisseurs de choc sont agencés pour stopper l'ensemble des organes en mouvement, ou susceptibles d'être mis en mouvement (barre support d'éprouvette, masse impactante et éventuellement dispositif martyre). Mais l'invention sera encore illustrée, sans être aucunement limitée, par la 25 description suivante de deux modes de réalisations particuliers, donnés uniquement à titre d'exemple et représentés sur les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un banc d'essai conforme à l'invention, permettant la caractérisation en traction dynamique des matériaux; - la figure 2 est une représentation schématique qui illustre un banc d'essai permettant 30 la caractérisation en compression des matériaux. Tel qu'illustré sur la figure 1 le banc d'essai, vu par-dessus, comporte un bâti 2 sur lequel est fixé l'une des extrémités d'une longue barre 3 d'axe longitudinal 4 s'étendant horizontalement ou sensiblement horizontalement. Cette barre 2 peut avoir une longueur de plusieurs mètres, par exemple de l'ordre de 6 mètres ou plus. L'une de ses extrémités est fixée par tout moyen approprié sur le bâti 2, et elle est supportée librement en quelques points de sa longueur par des moyens non représentés solidaires dudit bâti. Le bâti 2 du banc d'essai comporte encore des rails 5, disposés parallèlement à 5 l'axe 4 de la longue barre 3, servant d'éléments de guidage, d'une part pour une masse coulissante 6, et d'autre part pour un module martyre coulissant 7. ce martyre coulissant 7 est destiné à être impacté par la masse 6, de la manière expliquée plus loin. L'éprouvette-test 9 est fixée par l'une de ses extrémités sur le module martyre 10 7, et par l'autre de ses extrémités au niveau de l'extrémité libre de la longue barre 3. On utilise pour cela tout moyen de fixation ou de bridage approprié, par exemple de type vis ou boulon. La masse coulissante 6, par exemple de l'ordre de 300 kg, est portée par les rails 5 et elle est disposée sous la longue barre 3, adaptée pour venir percuter le 15 module martyre 7 afin de solliciter l'éprouvette 9 en traction. A cet effet, la masse 6 est associée à des moyens, non représentés, aptes à permettre son déplacement à une vitesse donnée dans le sens de la flèche d'orientation 10. ces moyens peuvent se présenter sous la forme de vérins hydrauliques ou pneumatiques, sous la forme de moyens tendeurs élastiques type sandow, ou autres... La longue barre 3 est équipée de jauges de contrainte 12 permettant de déterminer la variation de la force à l'intérieur de l'éprouvette 9 pendant le choc. On peut utiliser un ou plusieurs pont de jauges positionné(s) de manière appropriée sur la longueur de la barre 3 pour reconstituer le plus fidèlement possible l'onde de force délivrée par l'éprouvette. D'autre part, le banc 1 comporte des moyens de mesure de la déformation de l'éprouvette 9, par exemple en forme d'extensomètre optique 14 positionné convenablement. Il comporte également des moyens de mesure de la vitesse de la masse mobile 6 juste avant l'impact, par exemple en forme de dispositif laser 16. Les différents moyens de mesure précités, à savoir jauges de contrainte 12, 30 extensomètre optique 14 et dispositif laser 16, sont connectés à des moyens électroniques/informatiques 18 en forme d'ordinateur, adapté, pour traiter et analyser les données fournies. Après que l'éprouvette 9 ait été fixée correctement sur le dispositif martyre 7 d'un coté, et sur la barre de mesure d'effort 3 à son autre extrémité, la masse 6 est 35 déplacée selon une vitesse donnée par ses moyens de mise en mouvement pour percuter ledit dispositif martyre 7 créant ainsi la déformation en traction de l'éprouvette. La dissipation énergétique est minimale devant l'énergie cinétique disponible. La vitesse moyenne de l'essai reste constante. Les jauges 12 instrumentant la barre 3 mesurent la variation de la force en fonction du temps avant que les ondes retour reviennent perturber les mesures. L'extensomètre 5 optique 14 mesure l'extension de l'éprouvette dans l'axe du choc en fonction du temps. Ces deux paramètres permettent de tracer la loi de comportement de l'éprouvette à une vitesse de déformation donnée. Ce banc d'essai 1 peut permettre de caractériser d'autres paramètres de l'échantillon testé. Par exemple, il peut comporter des moyens permettant la mise en 10 oeuvre du principe d'inter-corrélation d'images numériques en vue d'étudier le champ local de déplacement d'une zone de l'éprouvette, en particulier pour déterminer le module d'élasticité et le coefficient de poisson du matériau constituant ladite éprouvette. On utilise pour cela une caméra vidéo rapide 20, par exemple type CDD haute 15 définition; les images obtenues sont analysées par un logiciel adapté. Au préalable, la surface à observer est recouverte d'un nuage de points (tâches de peinture) que le logiciel peut suivre dans leur déplacement. Pour réaliser des tests en traction, I'éprouvette 9 a de préférence une forme générale de H plat, tel qu'illustré sur la figure 1. la partie rectiligne centrale 9' de 20 I'éprouvette constitue la partie d'échantillon testée, et les parties d'extrémités parallèles 9" sont munies des moyens de fixation sur la barre de mesure 3 et le dispositif martyre 7. Par exemple, I'encombrement total de l'éprouvette peut être de 90 X 50 mm. La partie centrale 9' peut avoir une longueur de 20 mm et une largeur de 6 mm. 25 L'épaisseur de la plaque utilisée peut être comprise entre 1,5 et 4 mm. De préférence, il est prévu 2 orifices de fixation sur chaque partie d'extrémité 9". La distance entre les orifices d'une même partie d'extrémité peut être de l'ordre de 20 mm; la distance entre les orifices en vis en vis des deux parties 9" peut être de l'ordre de 65 mm, et le diamètre des orifices peut être voisin de 8 mm. De préférence encore, le banc d'essai 1 comporte des systèmes absorbeurs de choc, non représentés, aptes à dissiper l'énergie résiduelle des parties en mouvement ou susceptibles d'être mises en mouvement. Ainsi, la masse impactante 6 peut être stoppée par des absorbeurs hydrauliques; dans le cas d'une rupture de l'éprouvette 9, le dispositif martyre 7 constituant la masse 35 impactée peut être stoppé par un absorbeur de type mécanique. Le même type de banc d'essai peut être utilisé pour réaliser des tests de cisaillement sur les échantillons. La structure des échantillons testés sera adaptée en conséquence. La figure 2 illustre une autre forme de réalisation possible d'un banc d'essai 5 conforme à l'invention, adapté pour solliciter l'éprouvette testée en compression. Sur cette figure, les parties communes au mode de réalisation précédant conservent les mêmes repères pour faciliter la compréhension. On retrouve ici la masse mobile 6 guidée sur les rails 5 solidaires du bâti 2. Dans le mode de réalisation illustré, les moyens de mise en mouvement de la masse 6 10 sont constitués de sandows 23. La longue barre 3 équipée des jauges de contrainte 12 est simplement guidée sur le bâti 2; I'une de ses extrémités disposée en regard de la masse mobile 6 reçoit l'échantillon 22 à tester. Son autre extrémité est placée en regard d'un système absorbeur de choc 24. On retrouve encore ici le dispositif laser 16 permettant de déterminer la vitesse de la masse 6 avant l'impact, et l'extensomètre optique 14 permettant de mesurer la déformation de l'éprouvette. Comme pour le mode de réalisation illustré figure 1, les différents moyens de mesure 12, 14 et 16 sont connectés à un ordinateur 18 adapté pour traiter et analyser les 20 données fournies. Dans ce mode de réalisation, l'échantillon à caractériser 22 est fixé par tout moyen approprié à l'extrémité de la barre de mesure 3 et la masse mobile 6 se déplaçant à vitesse donnée est adaptée pour percuter la tête de l'éprouvette afin de créer sa déformation en compression. Le déplacement de la masse 6 s'effectue 25 parallèlement à l'axe longitudinal de la longue barre 3. L'énergie du choc reçu par la barre de mesure 3 est dissipée par les moyens absorbeurs de choc 24. Comme pour le mode réalisation précédent, des moyens absorbeurs de choc, non représentés, sont adaptés pour stopper la masse mobile 6. Les principes de mesures pour déterminer la loi de comportement de l'échantillon sont identiques ou similaires à ceux du banc d'essai en traction illustré sur la figure 1. Dans le cadre dans cette installation de tests en compression, les éprouvettes 22 ont de préférence une forme générale parallélépipédique ou cylindrique. Pour les deux types de bancs d'essai agissant en traction ou en compression, on peut envisager d'impacter le dispositif martyre 7 ou l'éprouvette 22, directement par un système de vérin(s), par exemple de type hydraulique asservi en vitesse, sans utiliser de masse d'interposition. On peut également envisager d'appliquer la force impactante uniquement après contact des moyens impactants avec l'éprouvette ou le dispositif martyre, selon le cas. Dans une forme de réalisation plus évoluée, le bâti du banc d'essai peut supporter deux longues barres instrumentées, I'une aménagée pour tenir des éprouvettes sollicitées en traction ou en cisaillement, et l'autre aménagée pour tenir des éprouvettes sollicitées en compression, I'une ou l'autre desdites barres étant utilisée en fonction du type de test envisagé. - REVENDICATIONS 1.- Banc d'essai universel destiné à la caractérisation des lois de comportement statique et dynamique d'éprouvettes (9, 22) en tous matériaux, lequel banc d'essai (1) est caractérisé en ce qu'il comporte: au moins un support pour une éprouvette (9, 22), lequel support se présente sous la forme d'une barre longitudinale (3) portée par un bâti (2), laquelle barre (3) est munie de moyens de fixation de ladite éprouvette (9, 22) à l'une des ses extrémités, - des moyens (6) aptes à venir appliquer une force impactante sur ladite éprouvette (9, 22), - des moyens de mesure (12, 14, 20) d'au moins un type d'effort supporté par ladite éprouvette (9, 22) au moment ou suite à l'impact reçu, et - des moyens électroniques/informatiques (18) de traitement et d'analyse des données fournies par lesdits moyens de mesure. 2.- Banc d'essai selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte - une 15 barre (3) support d'éprouvette (9, 22) équipée de jauges de contrainte (12) pour mesurer les efforts soumis à ladite éprouvette (9, 22), - des moyens de mesure (14) de la déformation de l'éprouvette (9, 22), et - des moyens de mesure (16) de la vitesse des moyens impactants (6). 3.- Banc d'essai selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé 20 en ce qu'il comporte des moyens (20) permettant la mise en oeuvre du principe d'intercorrélation d'images numériques, permettant d'étudier le champ local de déplacement d'une zone de l'éprouvette (9, 22) pour déterminer le module d'élasticité et le coefficient de poisson du matériau constituant ladite éprouvette. 4.- Banc d'essai selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé 25 en ce qu'il comporte des moyens impactants constitués d'une masse (6) guidée sur le bâti (2) selon une direction parallèle à l'axe (4) de la barre (3) support d'éprouvette (9, 22), laquelle masse (6) est associée à des moyens aptes à lui conférer une vitesse appropriée. 5.- Banc d'essai selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé 30 en ce qu'il comporte une barre (3) support d'éprouvette (9, 22) ayant plusieurs mètres de longueur. 6.- Banc d'essai selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une barre (3) support d'éprouvette (9), fixée sur le bâti (2) au niveau de l'une de ses extrémités et munie au niveau de son autre extrémité de 35 moyens de fixation d'une première extrémité de l'éprouvette (9), lequel banc comporte également un dispositif martyre (7) muni de moyens de fixation de l'autre extrémité de l'éprouvette (9), et guidé sur ledit bâti (2) dans une direction parallèle à celle des moyens impactants (6), lesdits moyens impactants (6) étant adaptés pour venir impacter ledit dispositif martyre (7) de manière à solliciter ladite éprouvette (9) en traction ou en cisaillement. 7.- Banc d'essai selon la revendication 6, destiné à la sollicitation d'éprouvettes (9) en traction, caractérisé en ce qu'il comporte des éprouvettes (9) en forme générale de H plat dont les parties d'extrémités parallèles (9") sont munies de moyens qui permettent leur fixation sur la barre support (3) et sur le dispositif martyre (7), et dont la partie centrale (9') constitue la partie d'échantillon testée. 8.- Banc d'essai selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (6) adaptés pour venir impacter directement l'extrémité libre de l'éprouvette (22) fixée sur son support (3) de manière à solliciter ladite éprouvette (22) en compression. 9.- Banc d'essai selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte des 15 éprouvettes (22) de forme générale parallélépipédique ou cylindrique. 10.- Banc d'essai selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des dispositifs amortisseurs de choc pour stopper l'ensemble des organes en mouvement ou susceptibles d'être mis en mouvement.