Brevet FR2876796A1 — publié le 20060421

L'invention concerne un dispositif d'essai hautement dynamique de matériaux. Dans le domaine de la recherche fondamentale sur les matériaux, il existe plusieurs méthodes expérimentales permettant d'étudier la sollicitation dynamique d'échantillons de matériaux et de mesurer le comportement de ces derniers à des vitesses de déformation élevées (Ohlson, N.G., "Experimental Methods in Biaxial Loading at High Strain Rates", DYMAT 1985, Journal de Physique, supplément au n 8, tome 46). Parmi ces méthodes, qui dépassent le cadre d'application des procédés d'étude de matériaux traditionnels tels queÉ les moutons pendules, on lo trouve le test d'expansion d'anneau dynamique, l'essai de Hopkinson ou l'écrasement dynamique. En outre, il existe une multitude d'appareils expérimentaux électrodynamiques plus ou moins bien adaptés aux cas de sollicitation hautement dynamique. L'essai de TAYLOR classique (Taylor, G.I., "The use of flat-ended projectiles for determining dynamic yield stress, I. Theoretical considerations", Proc. Royal Soc., London 194A (1948), pp. 289-299) consiste à porter un échantillon à une vitesse donnée (10... 250 m/s) et à le faire entrer en collision avec un bloc cible aussi rigide que possible et quasiment semi-infini. L'élargissement en trompette de la partie frontale de l'échantillon est enregistré à l'aide de caméras rapides et le contour, qui varie dans le temps, analysé selon la méthode proposée par TAYLOR. Le principal inconvénient de cette méthode réside dans l'apparition de forces de frottement indéfinissables entre la partie frontale de l'échantillon et le bloc cible, ce qui empêche une amélioration fondamentale de la théorie de Taylor. En fonction des conditions dans lesquelles l'essai est réalisé, le frottement peut influencer très fortement, voire fausser les résultats, car les tensions mesurées sont globalement trop élevées. Jusqu'à présent, seules des mesures telles que l'utilisation de lubrifiants ou d'une géométrie d'échantillons à très fort rapport L/D ont permis de réduire le frottement. L'importance du frottement exerce également une influence sur l'état de contrainte hydrostatique, qui déclenche à son tour la formation de bandes de cisaillement adiabatiques. On estime beaucoup plus avantageux de faire entrer en collision deux échantillons identiques, de manière à observer les mêmes déformations sur les parties frontales de ces derniers sans effet de frottement. Au niveau international, on souhaitait effectuer un essai de Taylor symétrique. Un tel dispositif expérimental d'essai dynamique de matériaux, qui n'a pas été réalisé par le déposant et à propos duquel ce dernier ne dispose pas de l'état de l'art publié, comporte un premier et un deuxième lanceur. Le premier lanceur est conçu pour accélérer un premier échantillon, et le deuxième lanceur, pour accélérer un deuxième échantillon. Les lanceurs sont disposés face à face de manière que le premier et le deuxième échantillon puissent être lancés l'un contre l'autre. Un dispositif de capteur est placé entre le premier et le deuxième lanceur de manière que les informations fournies par io le capteur sur la collision entre le premier et le deuxième échantillon puissent être enregistrées. Toutefois, la réalisation expérimentale a jusqu'ici constitué un problème, car les lanceurs utilisés sont constitués par des canons à air comprimé. Etant donné que le hublot d'observation et la fenêtre temporelle sont réduits (env. 30 x 30 mm2, A t L'invention a pour objet, à partir du dispositif susmentionné dans lequel le 20 premier et le deuxième échantillon sont lancés l'un contre l'autre, de concevoir le premier et le deuxième lanceur de telle manière qu'un lancement presque simultané des deux échantillons soit possible. La solution apportée est un dispositif d'essai (hautement) dynamique de matériaux, caractérisé en ce qu'il comporte un premier lanceur à bobine apte à accélérer un premier échantillon et un deuxième lanceur à bobine électromagnétique apte à accélérer un deuxième échantillon, ces lanceurs à bobine étant disposés face à face de manière que le premier et le deuxième échantillons puissent être accélérés l'un contre l'autre. Selon une caractéristique additionnelle permettant d'analyser ladite collision, un capteur, tel par exemple une caméra rapide, apte à transmettre des informations relatives à une collision entre le premier et le deuxième échantillon. Pour permettre d'accélérer les échantillons jusqu'à des vitesses très élevées, le premier et le deuxième lanceurs à bobine électromagnétique sont, préférablement, reliés à une unité de stockage de haute énergie électrique. L'invention présente l'avantage de permettre, grâce au dispositif, une sollicitation absolument symétrique et impulsionnelle de deux échantillons. C'est ce que l'on observe durant le processus d'écrasement des deux échantillons, au cours duquel des vitesses de déformation nettement supérieures à 104 m/s peuvent apparaître. Le dispositif remplit la condition préalable essentielle à la réalisation de io tests de TAYLOR symétriques, à savoir de pouvoir faire entrer en collision deux échantillons identiques de manière reproductible à l'intérieur d'un hublot d'observation donné du système de capteur. En outre, le fait que le lancement des échantillons puisse se faire de manière électromagnétique constitue un avantage, car ce type de systèmes de propulsion peut en principe être commandé par des moyens électroniques et offre une plus grande flexibilité au regard des possibilités de sollicitation. En cas de besoin, les impulsions de courant injectées dans les bobines du lanceur peuvent être mises en forme ou synthétisées de différentes manières en vue d'éviter des pics d'énergie non autorisés pendant la phase d'accélération, de sorte que l'on peut également obtenir des accélérations douces. Les forces en présence dans le dispositif sont produites par les courants induits dans les conducteurs d'accélération qui s'éloignent des champs magnétiques des deux lanceurs à bobine électromagnétiques. Le fondement physique est donc donné par la loi d'induction ou le principe des courants de Foucault. On sait que le principe d'induction est, d'une part, adapté à des sollicitations dynamiques à haute fréquence et d'autre part, permet la production de forces très importantes. On peut ainsi déterminer et simuler des cas de sollicitation tels qu'on les observe uniquement lors d'interactions de balistique terminale ou de phénomènes d'impact cosmique. Selon une forme d'exécution de l'invention, l'accélération du premier ou du deuxième échantillon est effectuée de manière indirecte par le biais d'un premier et d'un deuxième conducteurs d'accélération électriquement conducteurs et associés respectivement au premier et au second lanceurs à bobine et comportant chacun une interface mécanique avec l'un des deux échantillons. Selon une caractéristique additionnelle, un premier et un deuxième anneaux de retenue sont placés entre le premier et le deuxième lanceurs à bobine, de manière que, dans le dispositif, après le lancement et avant la collision des échantillons, le premier anneau de retenue retienne le premier conducteur d'accélération et le deuxième anneau de retenue retienne le deuxième conducteur d'accélération. Cette mesure permet d'éviter que les résultats expérimentaux ne soient faussés par les conducteurs d'accélération. io Selon une autre forme d'exécution de l'invention, chaque échantillon est constitué d'un matériau électriquement conducteur et comporte une section de conducteur d'accélération intégrée, ce qui simplifie la réalisation de l'essai. Selon une autre forme d'exécution de l'invention, le premier et le deuxième 15 lanceurs à bobine sont maintenus par un châssis. L'utilisation d'un châssis, notamment fermé et périphérique, constitue un moyen, peu coûteux sur le plan de la construction, d'enregistrer les forces d'accélération apparaissant lors du lancement des échantillons. Selon une autre forme d'exécution de l'invention, chaque lanceur à bobine comporte une bobine conique, qui permet d'obtenir une accélération de l'échantillon plus douce qu'avec une bobine plate. Selon une autre forme d'exécution de l'invention, chaque lanceur à bobine 25 comporte une bobine cylindrique, ce qui permet de réduire à nouveau la sollicitation mécanique de l'échantillon pendant son lancement. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront dans la description de modes particuliers de réalisation de l'invention au regard des figures annexées parmi lesquelles: La figure 1 présente un premier mode de réalisation d'un dispositif d'essai hautement dynamique de matériaux selon l'invention, comportant une bobine plate et des échantillons maintenus dans des conducteurs d'accélération, représenté sous forme de schéma de principe; La figure 1 b décrit la bobine plate présentée à la figure 1 dans une représentation en perspective de la pièce détachée; La figure 2 présente un second mode de réalisation de l'invention dispositif semblable à celui de la figure 1, mais dans lequel chaque échantillon 5 comporte une section de conducteur d'accélération intégrée, La figure 3 montre un troisième mode de réalisation de l'invention mettant en oeuvre une bobine conique, La figure 4 montre un quatrième mode de réalisation de l'invention mettant en oeuvre une bobine cylindrique. io La figure 1 décrit un dispositif 1 d'essai hautement dynamique de matériaux, qui présente les caractéristiques suivantes: É le dispositif 1 comporte un premier et un deuxième lanceurs à bobine électromagnétique 10a et 10b, É le premier lanceur à bobine 10a est conçu pour le lancement d'un premier échantillon 20a, É le deuxième lanceur à bobine 10b est conçu pour le lancement d'un deuxième échantillon 20b, É les lanceurs à bobine 10a et 10b sont disposés face à face de manière que le premier et le deuxième échantillons puissent être lancés l'un contre l'autre, É un dispositif de capteur est placé entre le premier et le deuxième lanceurs à bobine 10a et 10b, de manière que les informations fournies par le capteur sur la collision entre le premier et le deuxième échantillon 20a et 20b puissent être enregistrées, É le premier et le deuxième lanceurs à bobine électromagnétique 10a et 10b sont raccordés à une unité de stockage de haute énergie électrique 40. Les deux lanceurs à bobine 10a et 10b comportent chacun une bobine, en l'occurrence une bobine plate 11 a ou 11 b. Les bobines constituent les inducteurs. Chaque bobine ou inducteur est intégré dans un support de bobine non conducteur 15a ou 15b, qui peut être constitué de composite verre/résine (CVR) par exemple. Le lancement du premier et du deuxième échantillons 20a ou 20b est effectué indirectement par le biais d'un premier et d'un deuxième conducteurs d'accélération 30a ou 30b, dont chacun, constitué d'un matériau à bonne conduction électrique, correspond respectivement à l'un des deux lanceurs à bobine 10a et 10b et comporte une interface mécanique avec l'un des deux échantillons 20a et 20b. Les conducteurs d'accélération 30a et 30b sont tous deux coniques et rétrécissent pour passer du diamètre de la bobine plate 11 a ou 11 b à celui de l'échantillon cylindrique 20a ou 20b. Pour absorber les forces de recul, les deux lanceurs à bobine 10a et 10b sont maintenus dans un châssis (non représenté), qui prend notamment la forme d'un io châssis en acier massif qui constitue simultanément le système de laboratoire statique. Sur le plan électrique, les deux bobines plates 11 a et 11 b sont montées en série et peuvent être reliées, au moment souhaité, à une unité de stockage de haute énergie électrique 40 chargée, de préférence un condensateur à haute densité d'énergie, par l'intermédiaire d'un commutateur à haute énergie 41. En raison de la décharge électrique impulsionnelle qui se produit à ce moment-là, des courants de Foucault induits dans les conducteurs d'accélération 30a et 30b interagissent avec le champ magnétique des bobines des lanceurs 10a et 10b de sorte que l'on assiste à la formation de forces de recul d'après la loi de LENZ. Etant donné que les échantillons 20a et 20b sont assemblés par blocage dans les conducteurs d'accélération 30a et 30b, ils sont entraînés lors du tir et entrent ainsi en collision au milieu du hublot d'observation 60 du dispositif de capteur. Un premier et un deuxième anneaux de retenue 70a et 70b sont disposés entre le premier et le deuxième lanceurs à bobine 10a et 10b de manière que le premier anneau de retenue 70a retienne le premier conducteur d'accélération 30a et que le deuxième anneau de retenue 70b retienne le deuxième conducteur d'accélération 30b dans le dispositif après le lancement et avant la collision des échantillons 20a et 20b. Cela doit permettre d'éviter que l'énergie cinétique stockée dans les conducteurs d'accélération 30a et 30b n'exerce une influence sur le phénomène de déformation souhaité sur la face avant des échantillons 20a et 20b. Les deux bobines plates 11 a et 11 b montées en série forment, avec l'unité de stockage de haute énergie électrique 40 prenant la forme d'un condensateur, un circuit oscillant, dans lequel se forme une décharge électrique oscillante, dont la constante de déclin est déterminée par les inductances et les résistances effectives dans le circuit de décharge total. Dans le cas où le profil de courant oscillant, et par là même le profil de force (oscillante) qui lui est associé, perturbe les échantillons 20a et 20b, une diode 42, notamment une diode de Crowbar , peut être intercalée dans le circuit de décharge, ce qui impose une impulsion de courant unilatérale. io Le dispositif représenté à la figure 1 peut être utilisé pour lancer toutes sortes d'échantillons, par conséquent également des isolants. Toutefois, si l'échantillon à examiner est constitué d'un matériau à bonne conduction électrique (alliages d'aluminium, de cuivre, d'argent), chacun des échantillons 20a et 20b peut, comme cela est montré à la figure 2, comporter une section de conducteur d'accélération intégrée 25a et 25b. Tandis que la figure 1 reflète la méthode de construction différentielle, avec des composants distincts ayant des fonctions différentes (échantillons 20a et 20b et conducteurs d'accélération 30a et 3 b), la figure 2 représente la méthode de construction intégrale. Selon cette dernière, le composant, qui prend la forme de l'échantillon, a plusieurs fonctions. Comme on le voit sur la figure, chacun des échantillons 20a et 20b est solidaire d'une section de conducteur d'accélération 25a ou 25b qui correspond au lanceur à bobine 10a ou 10b. En ce qui concerne les inducteurs, la méthode la plus simple consiste à utiliser des bobines plates, caractérisées par des distances d'accélération très courtes, de quelques millimètres. Toutefois, cela signifie également que pour atteindre des vitesses relativement modérées, allant jusqu'à 250 m/s au maximum, on observe déjà des accélérations de l'ordre de 3*106 m/s2 et plus. Etant donné que de telles accélérations peuvent, dans certaines conditions, entraîner elles-mêmes dans les échantillons des ondes de choc susceptibles d'avoir une influence perturbatrice sur le comportement ultérieur des matériaux, il est préférable d'utiliser d'autres géométries de bobine, qui se caractérisent par des distances d'accélérations beaucoup plus longues, et donc des forces de propulsion beaucoup plus douces . Les figures 3 et 4 présentent des dispositifs modifiés en conséquence. Selon la figure 3, chaque lanceur à bobine 10a et 10b comporte une bobine conique 12a respectivement 12b, pour laquelle la longueur de la distance d'accélération peut être réglée au préalable grâce à l'angle d'ouverture du cône a. La géométrie des conducteurs d'accélération 30a et 30b doit être adaptée en conséquence à celle des bobines 12a et 12b, afin d'atteindre un couplage magnétique aussi bon que possible et un rendement électromécanique global aussi élevé que possible. Cela est également valable pour les sections de conducteur d'accélération 25a et 25b présentées dans l'exemple de réalisation de la figure 2. Cependant, une optimisation n'est pas absolument nécessaire dans le cas d'un io dispositif de laboratoire. En ce qui concerne le dispositif conforme à l'invention examiné dans le cas présent, les énergies de propulsion électriques nécessaires ne sont, de toute façon, que de l'ordre de 10 kJ environ, ce qui, au vu de l'état actuel de la technologie, requiert un condensateur d'un volume d'environ 6-8 dm3. Enfin, la figure 4 présente l'utilisation de bobines cylindriques 13a et 13b, dont on sait qu'elles disposent de la distance d'accélération la plus élevée et qu'elles garantissent ainsi une sollicitation par choc des échantillons 20a et 20b minimale pendant la phase de lancement. De manière générale, l'amplitude de la force de propulsion peut être fixée grâce à la tension de charge ou à l'énergie électrique contenue dans l'unité de stockage de haute énergie électrique 40 qui prend la forme d'un condensateur. En outre, son évolution temporelle peut être réglée en fonction de la longueur de la bobine cylindrique 13a ou 13b, et de la partie du conducteur d'accélération 30a ou 30b qui y est insérée, cette dernière ne pouvant pas dépasser la moitié de la bobine. En ce qui concerne l'absorption des forces de réaction lors du tir des échantillons 20a et 20b placés dans les conducteurs d'accélération 30a et 30b, la figure 4 représente le châssis 50 maintenant le premier et le deuxième lanceur à bobine 10a et 10b. En principe, il est possible de commander l'impulsion de courant à l'aide de 3o réseaux de mise en forme des impulsions appropriés, utilisés dans de multiples applications de l'électronique énergétique. A cet effet, on utilise de préférence des éléments semi-conducteurs et d'autres dipôles pouvant stocker de l'énergie (condensateurs, bobines). Par ailleurs, il est recommandé d'utiliser des thyristors comme commutateurs à haute énergie, car ces derniers présentent une imprécision de déclenchement (jitter) très faible (moins de 50 nanosecondes), et permettent ainsi de déclencher de manière très précise les enregistreurs (enregistreurs de transitoires pour mesurer le courant, chronoloupe à étincelles de Cranz Schardin, caméras à haute vitesse, etc.). En raison des énergies électriques à appliquer, comparativement faibles, la mise en oeuvre technique du dispositif d'essai hautement dynamique de matériaux peut être effectuée avec des composants électroniques de puissance disponibles dans le commerce. Ainsi, on peut par exemple utiliser des condensateurs fabriqués io par MAXWELL, HAEFELY, ATESYS, TPC ou VISHAY pour les unités de stockage de haute énergie nécessaires. Comme éléments de commutation ou commutateurs de fermeture, on utilisera de préférence des éléments semi-conducteurs tels que ceux fabriqués par ABB, SIEMENS ou EUPEC. Les bobines de propulsion peuvent être celles des entreprises MAGNET-MOTOR (D), BARRAS-PROVENCE (F) ou HUGHES Ltd. (UK). Pour absorber les forces de recul produites par les bobines plates, on utilisera de préférence des supports en CVR, qui peuvent sans problème être placés dans un châssis en acier massif. Concernant les câbles d'alimentation, qui doivent supporter un courant à impulsions de quelques kilo-ampères au maximum, il est conseillé d'utiliser un câble coaxial à haute tension, tel qu'en fabrique FELTON & GUILLAUME par exemple. io Revendications 1. Dispositif (1) d'essai dynamique de matériaux, caractérisé en ce qu'il comporte un premier lanceur à bobine (10a) apte à accélérer un premier échantillon (20a) et un deuxième lanceur à bobine électromagnétique (10b) apte à accélérer un deuxième échantillon (20b), ces lanceurs à bobine (10a, 10b) étant disposés face à face de manière que le premier et le deuxième échantillons (20a, 20b) puissent être accélérés l'un contre l'autre. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un io capteur (60), tel par exemple une caméra rapide, apte à transmettre des informations relatives à une collision entre le premier et le deuxième échantillon (20a, 20b). 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le premier et le deuxième lanceurs à bobine électromagnétique (10a, 10b) sont reliés à une unité de stockage de haute énergie électrique (40). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'accélération du premier ou du deuxième échantillon (20a, 20b) est effectuée de manière indirecte par le biais d'un premier et d'un deuxième conducteurs d'accélération (30a, 30b) électriquement conducteurs et associés respectivement au premier et au second lanceurs à bobine et comportant chacun une interface mécanique avec l'un des deux échantillons (20a, 20b). 5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel un premier et un deuxième anneaux de retenue (70a, 70b) sont placés entre le premier et le deuxième lanceurs à bobine (10a, 10b), de manière que, dans le dispositif, après le lancement et avant la collision des échantillons (20a, 20b), le premier anneau de retenue (70a) retienne le premier conducteur d'accélération (30a) et le deuxième anneau de retenue (70b) retienne le deuxième conducteur d'accélération (30b). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque échantillon (20a, 20b) est électriquement conducteur et comporte une section de conducteur d'accélération intégrée (25a, 25b). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que premier et le deuxième lanceurs à bobine (10a, 10b) sont maintenus par un châssis (50). 2876796 Il 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque lanceur à bobine (10a, 10b) comporte une bobine conique (12a, 12b). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé 5 en ce que chaque lanceur à bobine (10a, 10b) comporte une bobine cylindrique (13a, 13b).