Brevet FR2894670A1 — publié le 20070615

L'invention concerne le domaine de la recherche des propriétés mécaniques des matériaux solides par application d'une contrainte mécanique et a plus particulièrement pour objet un dispositif de serrage permettant de fixer une éprouvette plate composée d'un matériau anisotrope, en particulier d'un matériau composite. Les matériaux composites à fibres longues possèdent, le plus souvent, une anisotropie mécanique très prononcée, c'est-à-dire que leur comportement mécanique dépend de l'orientation des axes principaux du matériau par rapport à la direction de la sollicitation. Pour déterminer les paramètres de matériaux tels que le module d'Young E, le coefficient de Poisson, la contrainte de rupture et la déformation à la rupture, les éprouvettes sont découpées dans le matériau, fixées dans un appareil d'essai et sollicitées en conséquence, par exemple par une sollicitation en traction ou en compression, tout comme les métaux. Si un tel matériau possède trois plans de symétrie perpendiculaires entre eux, le comportement anisotrope est qualifié d'orthotrope. Si le matériau est sollicité mécaniquement, uniaxialement, en dehors de ses axes de symétrie, on voit également apparaître, en dehors des déformations axiales et transversales de l'éprouvette, une composante de déformation due au cisaillement qui provoque une distorsion de la géométrie de l'éprouvette. L'inconvénient du dispositif de serrage fixe de l'éprouvette réside dans le fait que la détermination des déformations peut être entachée d'erreur selon la géométrie de l'éprouvette compte tenu de l'état de déformation irihomogène. A cela s'ajoute le fait que les concentrations de contraintes à proximité des clispositifs de serrage peuvent entraîner une rupture prématurée de l'éprouvette et empêcher ainsi la détermination exacte de la résistance du matériau. La détermination exacte des résistances du matériau en dehors des axes de symétrie du matériau a une importance fondamentale, étant donné que les paramètres des critères de rupture des matériaux composites doivent être identifiés au moyen de tels essais mécaniques. Ces critères de rupture sont, par ailleurs, un facteur essentiel pour la simulation numérique du comportement à la rupture de structures fabriquées à partir de tels matériaux, une telle simulation ne peut donc être utilisé que dans une mesure très limitée si l'on ne connaît pas précisément ces paramètres. Pour résoudre le problème dans le cas de tôles d'acier laminées présentant une faible anisotropie, on se réfère à une publication de Boehler et El Aoufi. La publication est intitulée : Boehler, El Aoufi, "Le problème de la réalisation correcte des essais hors-axes", Comportement des composites à renfort tissus, Comportement dynamique des composites, pp. 83-100, Pluralis, 1990. Dans cette étude, on propose un dispositif d'essais de traction qui permet une rotation de l'éprouvette dans la zone de serrage. Cette rotation se fait par l'intermédiaire de supports à couteaux qui travaillent sans frottement assimilables à des rotules ponctuelles. L'éprouvette peut ainsi se déformer dans la zone de serrage. Cette méthode a fait ses preuves pour des matériaux dont l'anisotropie est relativement peu marquée. Si l'on prend en revanche un matériau composite, la rotation simple des extrémités de l'éprouvette pose problème, étant donné que les fibres longues qui traversent l'éprouvette sont exposées à une forte courbure dans cette zone. Le brevet EP 0 779 505 BI présente un dispositif de serrage permettant de fixer une éprouvette plate composée d'un matériau anisotrope, en particulier d'un matériau composite. L'éprouvette plate présente à ses extrémités une première tête de serrage et une seconde tête de serrage. Le dispositif de serrage comprend un premier mécanisme de serrage pour fixer la première tête de serrage de l'éprouvette plate et un second mécanisme de serrage pour fixer la seconde tête de serrage de l'éprouvette plate. Les deux mécanismes de serrage sont disposés aux extrémités de l'éprouvette plate et sont mobiles le long d'un dispositif de guidage en arc de cercle. La tête de serrage de l'éprouvette plate peut ainsi pivoter autour du centre du cercle du dispositif de guidage en arc de cercle. Ce mouvement de rotation est uniquement prévu pour que les déformations de l'éprouvette puissent s'adapter aux contraintes exercées sur celle-ci. L'inconvénient est que l'on n'obtient toutefois pas de bonne approximation du point de vue d'un serrage idéal. L'objectif de l'invention est donc de créer un dispositif de serrage permettant de fixer une éprouvette plate en matériau anisotrope avec laquelle on puisse déterminer des caractéristiques de matériaux très précises dans une machine d'essais. La solution apportée est un dispositif de serrage pour l'essai de matériau anisotrope, notamment de matériau composite, sous forme d'éprouvette plate ayant un corps longitudinal muni d'une tête à chaque extrémité, dispositif caractérisé en ce 3 2894670 qu'il comprend un premier mécanisme de serrage pour fixer la première tête de l'éprouvette et un second mécanisme de serrage pour fixer la seconde tête de serrage de l'éprouvette plate, chaque mécanisme de serrage comportant des mâchoires de serrages à lamelles, un cadre intérieur et un cadre extérieur, chaque 5 mâchoire de serrage s'appuyant sur une contre surface du cadre intérieur et étant mobile par rapport à ce cadre intérieur, le cadre intérieur étant monté mobile le long d'un axe de rotation dans le cadre extérieur. En mode essai, les mâchoires de serrage sont avantageusement aptes à être réparties sur toute la largeur de la tête de serrage respective et les mâchoires de 10 serrage sont aptes à se déplacer les unes par rapport aux autres sous l'action d'une contrainte et, préférentiellement, l'axe de rotation du cadre intérieur est disposé perpendiculairement par rapport à la partie plate de l'éprouvette plate et coupe l'axe longitudinal de l'éprouvette plate. Pour permettre ce déplacement, les mâchoires de serrages disposées d'un même côté de la tête de l'éprouvette plate sont soit 15 indépendantes soit fixées les unes aux autres par un matériau à haute élasticité. Aussi, les avantages obtenus avec l'invention sont que dans le dispositif de serrage, les contraintes et déformations correspondantes sont très largement conformes les unes par rapport aux autres ; Les champs de contraintes et de déformations sont très homogènes. On obtient ainsi des résultats de mesure qui ne 20 sont pratiquement pas faussés, par exemple lors des essais de traction. Plus précisément, le dispositif de serrage est conçu pour fixer une éprouvette plate en matériau anisotrope, en particulier en matériau composite, l'éprouvette plate possédant à ses extrémités une première tête de serrage et une seconde tête de serrage. Le dispositif de serrage comprend un premier mécanisme de serrage pour 25 fixer la première tête de serrage de l'éprouvette plate et un second mécanisme de serrage pour fixer la seconde tête de serrage de l'éprouvette plate. Chaque dispositif de serrage comporte de nombreuses mâchoires de serrage à lamelles, un cadre intérieur et un cadre extérieur, de sorte qu'en mode d'essai, les mâchoires de serrage sont réparties sur la largeur de la tête de serrage respective. Chaque 30 mâchoire de serrage peut glisser par rapport aux mâchoires de serrage voisines. Par ailleurs, chaque mâchoire de serrage s'appuie sur une contre surface du cadre intérieur. Le cadre intérieur s'appuie sur le cadre extérieur à l'aide de deux couteaux assimilables à des rotules ponctuelles, et alignés sur le même axe. Le cadre intérieur 4 2894670 peut donc pivoter autour de cet axe qui est disposé perpendiculairement par rapport à la partie plate de l'éprouvette et coupant l'axe longitudinal de l'éprouvette plate. La rotation du cadre intérieur et le déplacement des mâchoires de serrage les unes par rapport aux autres sous l'action d'une contrainte, appelé translabilité des 5 mâchoires de serrage dans la suite, permettent d'adapter les déformations de la tête de serrage de l'éprouvette à la sollicitation exercée sur l'éprouvette. C)n évite ainsi les concentrations de contrainte à proximité des dispositifs de serrage et on empêche ainsi une rupture prématurée de l'éprouvette. Selon une forme d'exécution de l'invention, les mâchoires de serrage sont 10 conçues de telle sorte que les forces de serrage sont produites par l'effet de coin. Ce principe simple permet une configuration simple et fiable des dispositifs de serrage. Conformément à une autre version de l'invention, chaque mâchoire de serrage possède un premier coin intérieur et un second coin intérieur et un premier coin extérieur et un second coin extérieur, de manière que le premier coin intérieur et 15 le second coin intérieur entourent l'éprouvette plate et correspondent à deux coins extérieurs s'appuyant sur la contre surface du cadre intérieur. Il s'agit de la réalisation conceptionnelle du principe de coin susvisé qui permet d'obtenir les forces de serrage. Conformément à une autre version de l'invention, lorsqu'on numérote dans 20 l'ordre les mâchoires de serrage d'avant en arrière, les mâchoires de serrage avec un chiffre pair et les mâchoires de serrage avec un chiffre impair possèdent certes des coins de même angle mais les largeurs des coins intérieurs et extérieurs sont différentes et donnent un montage décalé. Le montage décalé empêche que le mouvement de translation de mâchoires de serrage voisines ne soit entravé. 25 Conformément à une autre version de l'invention, les premiers coins intérieurs disposés successivement et les seconds coins intérieurs disposés successivement sont reliés entre eux par un matériau à haute élasticité. Cette mesure facilite le maniement. Car au lieu d'un grand nombre de pièces, on n'a plus que quatre unités. Ces quatre unités résultent donc du fait que les premiers coins intérieurs, les 30 seconds coins intérieurs, les premiers coins extérieurs et les seconds coins extérieurs disposés successivement sont reliés entre eux par un matériau à haute élasticité. Outre l'avantage d'un meilleur maniement, l'autre avantage est qu'on s'approche davantage d'un serrage idéal. Le matériau hautement élastique autorise en effet également une contraction transversale de l'éprouvette plate dans la zone de serrage. Conformément à une autre version de l'invention, les premiers coins intérieurs disposés successivement et les seconds coins intérieurs disposés successivement sont reliables entre eux par un assemblage à fermeture géométrique. Par rapport à la version précédente de l'invention, il s'agit d'une alternative pour améliorer le maniement. L'assemblage à fermeture géométrique peut être configuré par exemple de telle sorte que le premier coin intérieur, le second coin intérieur, le premier coin extérieur et le second coin extérieur présentent à chaque fois des alésages à travers lesquels on fait passer des chevilles avant la mise en fonctionnement en mode d'essai. Les chevilles sont retirées après le montage des mécanismes de serrage et la mise en place des éprouvettes plates. Selon un mode de réalisation particulier, le cadre interne comporte un premier et un second couteaux de section triangulaire et dont les sommets sont colinéaires et constituent ledit axe de rotation, le cadre supérieur (30) pouvant alors comporter deux évidements de section triangulaire plus grande que celle desdits couteaux et dont les sommets sont colinéaires et aptes à supporter les somrnets desdits couteaux. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront dans la description d'un 20 mode de réalisation de l'invention au regard des figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 montre un schéma d'un mécanisme, en perspective, de serrage pour serrer la tête d'une éprouvette plate, - la figure 1 a est une vue latérale partielle du mécanisme de serrage dans le sens de 25 visée la indiqué à la figure 1, - la figure 1 b est une partie du mécanisme de serrage présenté à la figure 1, concernant le positionnement décalé des mâchoires de serrage, - la figure 2 présente une vue de devant du mécanisme de serrage, - la figure 3 montre une vue de dessus du mécanisme de serrage conformément au 30 plan de coupe III-III indiqué à la figure 2, - la figure 4 est une vue de côté du mécanisme de serrage conformément au plan de coupe IV-IV indiqué à la figure 2, - la figure 5 est un schéma d'un mécanisme de serrage avec éprouvette plate non sollicitée, en vue de côté, 6 2894670 - la figure 6 montre le mécanisme de serrage présenté à la figure 5 mais avec une éprouvette plate soumise à une sollicitation par traction, - la figure 7 présente une éprouvette plate, non sollicitée, en vue de côté, - la figure 8 montre l'éprouvette plate présentée à la figure 7 nais soumise à une 5 sollicitation par traction. La figure 1 présente la partie supérieure d'un dispositif de serrage permettant de fixer une éprouvette plate 90 en matériau anisotrope, en particulier en matériau composite. L'éprouvette plate 90 présente à ses extrémités une première tête de 10 serrage 91 et une seconde tête de serrage. Pour protéger les têtes de serrage, l'éprouvette plate 90 est, comme on sait, munie de talons de serrage 92. Le dispositif de serrage comprend un premier mécanisme de serrage 1, représenté à la figure 1, pour fixer la première tête de serrage 91 de l'éprouvette plate 90 et un second mécanisme de serrage pour fixer la seconde tête de serrage de l'éprouvette 15 plate 90. Compte tenu de la symétrie, le second mécanisme de serrage n'est pas représenté. Le mécanisme de serrage 1 comporte un grand nombre de mâchoires de serrage 10, un cadre intérieur 20 et un cadre extérieur 30. Les mâchoires de serrage 10 sont réparties sur la largeur de la tête de serrage respective 91. Par ailleurs, chaque mâchoire de serrage 10 peut être décalée par rapport aux mâchoires de serrage voisines. Enfin, chaque mâchoire de serrage 10 s'appuie sur une contre surface 22 du cadre intérieur 20. L'interface mécanique avec la machine d'essais de traction est représentée par 35. Le cadre intérieur 20 s'appuit sur le cadre extérieur 30 le long d'un axe de rotation 25, cet axe 25 étant disposé perpendiculairement par rapport à la partie plate de l'éprouvette 90 et coupant l'axe longitudinal de l'éprouvette plate 90. La rotation du cadre intérieur 20 et la translabilité des mâchoires de serrage 10 permettent d'adapter les déformations de la tête de serrage 91 de l'éprouvette 90 aux sollicitations exercées sur l'éprouvette. Les mâchoires de serrage 10 sont conçues de telle sorte que les forces de serrage sont produites par l'effet de coin. Pour cela, chaque mâchoire de serrage 10 possède un premier coin intérieur 11 a et un second coin intérieur 11 b et un premier coin extérieur 12a et un second coin extérieur 12b. Le premier coin intérieur 11 a et le second coin intérieur 11 b entourent la tête de serrage 91 de l'éprouvette plate 90 et correspondent à deux coins extérieurs 12a et 12b qui s'appuient sur le cadre intérieur 20. Pour facilité la translabilité des mâchoires de serrage 10, les surfaces des coins peuvent être lubrifiées. Le maintien des coins extérieurs 12a et 12b dans le cadre intérieur 20 est assuré par des contre surfaces. La figure 1 représente la contre surface 22 du cadre intérieur 20. Pour que la contre surface 22 soit visible à la figure 1, on a supprimé sur le dessin un coin du cadre intérieur 22 ainsi que trois des coins extérieurs avant 12b. La figure la illustre la fonction du support à couteaux assimilables à des rotules ponctuelles. Ce support à couteaux sert à faire pivoter le cadre intérieur 20 le long de l'axe de rotation 25 dans le cadre extérieur 30. On a d'abord représenté le cadre extérieur 30 avec le premier évidement en forme de coin 31 a. Dans cet évidement 31a vient se loger le couteau 21a également en forrne de coin, qui fait partie intégrante du cadre intérieur 20. La figure 1 b illustre le montage des mâchoires de serrage 10. Les premiers coins intérieurs disposés successivement 11 a et les seconds coins intérieurs disposés successivement 11 b sont reliés entre eux par un matériau à haute élasticité 15a et 15b. On obtient ainsi quatre unités faciles à manier en ce qui concerne le premier coin intérieur 11 a, le second coin intérieur 11 b, le premier coin extérieur 12a et le second coin extérieur 12b. En alternative, on pourrait aussi envisager la solution non représentée consistant à relier entre eux, par un assemblage à fermeture géométrique, les premiers coins intérieurs 11 a disposés successivement et les seconds coins intérieurs 11 b disposés successivement et lubrifiés aux surfaces de contact. Les premiers coins intérieurs, les seconds coins intérieurs, les premiers coins extérieurs et les seconds coins extérieurs pourraient présenter à chaque fois des alésages à travers lesquels on fait passer des chevilles avant la mise en fonctionnement en mode d'essai, ce qui permet d'obtenir de nouveau quatre unités faciles à manier. Ces chevilles doivent être retirées avant la mise en fonctionnement en mode d'essai. Alors que la figure 1 est une représentation tridimensionnelle du mécanisme de serrage, les figures 2 à 4 sont des vues bidimensionnelles. L'objectif des figures 2 à 4 est de présenter une illustration du cadre intérieur 20 avec les mâchoires de serrage 10 disposées à l'intérieur, l'éprouvette plate 90 et l'axe de rotation 25. La figure 2 montre très bien le premier couteau 21a et le second couteau 21b du cadre intérieur. En mode d'essai, les couteaux susvisés sont en contact avec les 7 évidements 31a et 31b (figure 1) du cadre extérieur 30 qui n'est pas représenté sur les figures 2 à 4. Les figures 2 à 4 montrent également la position de l'axe de rotation 25 par rapport à l'éprouvette plate fixée. L'axe de rotation 25 est disposé perpendiculairement au côté plat de l'éprouvette plate et coupe l'axe longitudinal de l'éprouvette plate 90. Par ailleurs, l'axe de rotation 25 est disposé dans le plan de la contre surface 22 comme on le voit très clairement à la figure 2. La figure 5 et la figure 7 présentent une éprouvette non sollicitée. La vue de côté de la figure 5 présente un schéma simplifié d'une coupe similaire à celle de la 10 figure 4, mais cette fois-ci au niveau de a contre surface 22. A la figure 7, l'anisotropie est visible, étant donné que l'axe de symétrie du matériau v et la direction de sollicitation x forment un angle. La figure 6 et la figure 8 présentent le cas d'une éprouvette sollicitée, contrairement aux figures 5 et 6 précitées. Il apparaît clairement qu'avec le dispositif 15 de serrage placé de ce côté, on obtient un serrage quasiment idéal. Le plan de la contre surface 22 peut pivoter librement autour de l'axe de rotation 25 pour tenir compte de la composante de déformation due au cisaillement d'une éprouvette plate se déformant. La contraction transversale qui intervient lors du serrage idéal de l'éprouvette peut être compensée par le matériau hautement élastique à faible 20 module 15a et 15b (uniquement représenté à la figure 1 b) entre les mâchoires de serrage 10. Les figures 1 à 6 représentent uniquement des schémas de principe. Les détails n'y sont pas représentés. L'un des détails est, par exemple, que le cadre extérieur 30 est composé d'une pièce transversale et d'un montant vissable. Ceci est 25 nécessaire pour permettre l'assemblage du dispositif de serrage. Revendications 1. Dispositif de serrage pour l'essai de matériau anisotrope, notamment de matériau composite, sous forme d'éprouvette plate ayant un corps longitudinal muni d'une tête à chaque extrémité, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend un premier mécanisme de serrage (1) pour fixer la première tête (91) de l'éprouvette (90) et un second mécanisme de serrage pour fixer la seconde tête de serrage de l'éprouvette plate (90), chaque mécanisme de serrage (1) comportant des mâchoires de serrages à lamelles (10), un cadre intérieur (20) et un cadre extérieur (30), chaque mâchoire de serrage (10) s'appuyant sur une contre surface (22) du cadre intérieur (20) et étant mobile par rapport à ce cadre intérieur, le cadre intérieur (20) étant monté mobile le long d'un axe de rotation (25) dans le cadre extérieur (30). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en mode essai, les mâchoires de serrage (10) sont aptes à être réparties sur toute la largeur de la tête de serrage respective (91) et sont aptes à se déplacer les unes par rapport aux autres sous l'action d'une contrainte. 3. Dispositif de serrage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque mâchoire de serrage (10) possède un premier coin intérieur (11a) et un second coin intérieur (11 b) et un premier coin extérieur (12a) et un second coin extérieur (12b), de manière que le premier coin intérieur (11a) et le second coin intérieur (11 b) entourent l'éprouvette plate (90) et correspondent à deux coins extérieurs (12a) et (12b) reposant sur la contre surface (22) du cadre intérieur. 4. Dispositif de serrage selon la revendication 3 caractérisé en ce que lorsqu'on numérote dans l'ordre les mâchoires de serrage (10) d'avant en arrière, les mâchoires de serrage (10) avec un chiffre pair et les mâchoires de serrage (10) avec un chiffre impair possèdent des coins de même angle, mais de largeur intérieure et extérieure différentes et représentant ainsi un montage décalé. 5. Dispositif de serrage selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les premiers coins intérieurs disposés successivement (11a) et les seconds coins intérieurs disposés successivement (11b) sont reliés entre eux par un matériau à haute élasticité. 6. Dispositif de serrage selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les premiers coins intérieurs disposés successivement (11a) et les seconds coins intérieurs disposés successivement (11 b) sont aptes à être reliés entre eux par un assemblage à fermeture géométrique. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, en mode essai, l'axe de rotation (25) du cadre intérieur (20) est disposé perpendiculairement par rapport à la partie plate de l'éprouvette plate et coupe l'axe longitudinal de l'éprouvette plate (90). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le cadre interne comporte un premier et un second couteaux (21a ; 21b) de section triangulaire et dont les sommets sont colinéaires et constituent ledit axe de rotation (25). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le cadre supérieur (30) comporte deux évidements (31a ; 31b) de section triangulaire plus grande que celle desdits couteaux (21a ; 21b) et dont les sommets sont colinéaires et aptes à supporter les sommets desdits couteaux (21a ; 21b). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit axe de rotation (25) est disposé dans le plan de la contre surface (22).