Brevet FR3008793A1 — publié le 20150123

DISPOSITIF D'ESSAI DE FATIGUE D'UNE EPROUVETTE [0001] L'invention porte sur dispositif d'essai de fatigue d'une éprouvette comprenant un châssis pourvu d'au moins une matrice de réception de l'éprouvette. [0002] Le document 2 681 943 décrit un dispositif pour analyser et mesurer les propriétés mécaniques, notamment les niveaux de tension, sur une structure souple tendue. La structure souple tendue est par exemple un tissu enduit, tendu, prétendu ou autre, destiné à constituer un abri ou un velum ou analogue, tel que par exemple une structure gonflable. [0003] Le dispositif comprend une embase rigide de positionnement, en forme d'anneau, dont une face présente des moyens destinés à plaquer cette embase contre une face de la structure souple tendue à analyser ; un pot vibrant, relié rigidement par des bras à l'embase rigide, et alimenté par une source de courant alternatif pour émettre une vibration ; une tige de liaison rigide, reliée à une extrémité au pot vibrant et à son autre extrémité à une ventouse destinée à plaquer cette tige contre la face de la structure souple comprise à l'intérieur de l'embase ; un capteur de force, monté sur la tige de liaison, destiné à mesurer la force dynamique émise par le pot et un capteur de déplacements, destiné à mesurer les déplacements instantanés au centre de la structure souple comprise dans l'embase, lorsque cette structure est soumise à une force dynamique, et à émettre un signal représentatif de ce déplacement au voisinage de la ventouse, et une unité de calcul. L'unité de calcul est destinée à recevoir les signaux émis respectivement par le capteur de force et le capteur de déplacement en fonction de la fréquence d'excitation ; à traiter ces deux signaux au moyen d'une carte d'acquisition ; à calculer le rapport complexe des deux signaux en fonction de la fréquence de la vibration émise ; à afficher un résultat représentatif de la propriété mesurée. [0004] Un tel dispositif s'avère inadapté pour réaliser des essais à des fréquences de fonctionnement qui dépassent 100 Hz. En effet, un tel essai nécessite la réalisation de 108 cycles ce qui présente une durée et un coût méritant d'être diminués. [0005] Un but de la présente invention est de proposer un dispositif d'essai de fatigue d'une éprouvette qui permet de diminuer des temps d'essai en fatigue de l'éprouvette, tout en permettant de réaliser des cycles d'essai en très grand nombre, typiquement de l'ordre de 1010 cycles pour dimensionner au mieux une pièce d'un véhicule automobile notamment. [0006] Un dispositif de la présente invention est un dispositif d'essai de fatigue d'une éprouvette comprenant un châssis pourvu d'au moins une matrice de réception de l'éprouvette. [0007] Selon la présente invention, le dispositif d'essai de fatigue comprend un système de délivrance à l'éprouvette de sollicitations à fréquence ultrasonore comprise entre 10 kHz et 70 kHz. [000s] De préférence, le système de délivrance comprend au moins un convertisseur piézoélectrique, au moins un booster et au moins une sonotrode. [0009] Le booster et la sonotrode sont avantageusement portés par un montant central que comprend le châssis. [0olo] Le montant central est de préférence ménagé orthogonalement à un plan contenant la matrice. [0011] Le dispositif d'essai de fatigue comprend avantageusement des moyens de centrage de l'éprouvette sur la matrice. [0012] Le dispositif d'essai de fatigue comprend avantageusement des moyens d'encastrement de l'éprouvette. [0013] Le dispositif d'essai de fatigue comprend avantageusement des moyens de mise sous pression d'une face inférieure de l'éprouvette. [0014] Le dispositif d'essai de fatigue comprend avantageusement au moins une jauge de déformation qui équipe la face inférieure de l'éprouvette. [0015] De préférence, la jauge de déformation est associée à une chaine d'acquisition de données extensométriques. [0016] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va en être faite d'exemples de réalisation, en relation avec les figures des planches annexées, dans lesquelles : - La figure 1 est une vue schématique d'un dispositif d'essai de fatigue de la présente invention. - La figure 2 est une vue de dessous d'une éprouvette adaptée pour le dispositif d'essai de fatigue illustré sur la figure précédente. - La figure 3 est une vue en coupe de l'éprouvette représentée sur la figure 2. - La figure 4 est une vue de dessous de l'éprouvette illustrée sur les figures 2 et 3. - Les figures 5 à 7 sont des illustrations schématiques partielles de variantes de réalisation du dispositif représenté sur la figure 1. - La figure 8 est une représentation d'une déformation de l'éprouvette illustrée sur les figures 2 à 4, lors d'une mise en oeuvre du dispositif illustré sur la figure 1. [0017] Dans le domaine automobile notamment, il est nécessaire de connaître avec précision une robustesse des matériaux employés. Plus particulièrement, il est souhaitable de connaître un comportement en fatigue de tels matériaux pour permettre un dimensionnement au plus juste de pièces, telles qu'un carter-cylindre, une culasse ou analogue, sous des contraintes de forte pression hydrostatique et/ou pour des contraintes fortement biaxiales et/ou sous des contraintes cycliques importantes, conduisant typiquement à des durées de vie supérieures à 108 cycles. [0018] Sur la figure 1, un dispositif d'essai de fatigue 1 est destiné à solliciter à haute fréquence, c'est-à-dire à une fréquence supérieure à une dizaine de kilohertz, en flexion une éprouvette 2 conformée en un disque ou en un polygone afin de caractériser une contrainte équi-biaxiale. [0019] Selon la présente invention, le dispositif d'essai de fatigue 1 comprend au moins un poinçon 3 de forme hémisphérique ou analogue, au moins une matrice 4 pour recevoir ladite éprouvette 2 et un système de délivrance 5 de sollicitations à fréquence ultrasonore, typiquement comprise entre 10 kHz et 70 kHz. La matrice 4 est indifféremment une matrice 4 de forme annulaire ou d'une autre forme permettant l'obtention de plusieurs contacts ponctuels entre la matrice 4 et l'éprouvette 2. [0020] Le système de délivrance 5 comprend préférentiellement au moins un convertisseur piézoélectrique 6, un booster 7 et une sonotrode 8. Le convertisseur piézoélectrique 6 est destiné à transformer un signal électrique en une vibration ultrasonore. Le booster 7 est à même d'amplifier une vibration ultrasonore fournie par le convertisseur piézoélectrique 6. La sonotrode 8 est une pièce métallique qui, soumise à une vibration ultrasonore, est apte à restituer une telle énergie vibratoire à l'éprouvette 2. La sonotrode 8 est équipée du poinçon 3. [0021] Le booster 7 et la sonotrode 8 sont portés par un châssis 9 comportant par exemple trois montants parallèles 10,10', dont un montant central 10' porteur du booster 7 et de la sonotrode 8. Le châssis 9, et plus particulièrement le montant central 10', permet une application d'un effort statique sur l'éprouvette 2 nécessaire à la réalisation d'un essai à contrainte moyenne non nulle. Lors d'un tel essai, l'éprouvette 2 est positionnée centrée entre le poinçon 3 et la matrice 4. [0022] Une procédure de positionnement permet un alignement vertical des pièces qui transmettent l'effort, à savoir le booster 7, la sonotrode 8 et le poinçon 3, selon un axe d'extension Al du montant central 10'. La matrice 4 est contenue à l'intérieur d'un plan P1 qui est orthogonal à l'axe d'extension Al. Compte-tenu des contraintes de jeu nécessaires à l'obtention de conditions de résonances propres au système de délivrance 5 d'efforts à plusieurs kilohertz, il est nécessaire qu'un centrage du montant central 10', du booster 7 et de la sonotrode 8 sur le dispositif d'essai de fatigue 1 soit réalisé avec précision. [0023] En parallèle, l'éprouvette 2 est centrée par rapport à la matrice 4 de manière à assurer un centrage du point d'application d'effort par le poinçon 3 sur la face supérieure 17 de l'éprouvette 2. Dans ce but, le dispositif d'essai de fatigue 1 est pourvu de moyens de centrage 11 de l'éprouvette 2 sur la matrice 4. Les moyens de centrage 11 sont préférentiellement portés par un bâti 12 qui est équipé de la matrice 4. [0024] Sur la figure 2, l'éprouvette 2 comporte une face inférieure 13 qui est en contact avec la matrice 4 en position de test de l'éprouvette 2. La face inférieure 13 est opposée à la face supérieure 17 de l'éprouvette 2. La face inférieure 13 est pourvue d'au moins une jauge de déformation 14, notamment du type rosette trois directions ou analogue. La jauge de déformation 14 est associée à une chaine d'acquisition 14' de données extensométriques qui permet, à l'incertitude de collage de la jauge de déformation 14 près, de vérifier la bonne qualité du centrage de l'éprouvette 2. [0025] Le dispositif d'essai de fatigue 1 est apte à exercer une flexion répétée sur l'éprouvette à une très haute fréquence de sollicitation, notamment supérieure à 10 kHz. De manière à atteindre les hautes fréquences visées, on utilise un phénomène de résonance permettant l'application de vibrations mécaniques et la sollicitation de l'éprouvette 2 à fréquence ultrasonore. Le recours à des phénomènes de résonance nécessite que le convertisseur piézoélectrique 6, le booster 7, la sonotrode 8 et l'éprouvette 2 résonnent tous à une fréquence de sollicitation choisie, par exemple 20 kHz. [0026] Sur la figure 3, l'éprouvette 2 est susceptible d'être d'une première épaisseur El en son centre C qui est inférieure à une deuxième épaisseur E2 prise en périphérie de l'éprouvette 2 notamment pour étudier un effet de rugosité et/ou de surface. Les dimensions de l'éprouvette 2 sont déterminées pour l'obtention d'une résonance à une fréquence du premier mode de vibration choisie entre 10 et 70 kHz. La fréquence préférentiellement choisie est 20 kHz. A titre d'exemple, l'éprouvette 2 présente une première épaisseur El qui est de l'ordre de 6 mm à +/0.05 mm près et un diamètre D compris entre 45 mm et 50 mm, préférentiellement de 48 mm, à 0,1 mm près. [0027] Suite à l'application du poinçon 3 contre le centre C de l'éprouvette 2, un déplacement généré du centre C de l'éprouvette est du type flexion de membrane. Il en résulte qu'un état plan de contrainte de traction équibiaxiale 15 apparaît alors sur la face inférieure 13 de l'éprouvette 12, tel qu'illustré sur la figure 4. Afin de déterminer un champ de contraintes sur l'éprouvette 2, un modèle numérique est utilisé à partir d'un code de calcul à éléments finis utilisant un modèle axisymétrique à deux dimensions d'axe Z orthogonal au plan Pl. [0028] Sur les figures 5 à 7, sont représentées diverses variantes du dispositif d'essai de fatigue 1 [0029] Sur la figure 5, l'éprouvette 2 est maintenue par des moyens d'encastrement 16 qui enserrent l'éprouvette 2 sur sa face supérieure 17 et sa face inférieure 13. Les moyens d'encastrement 16 sont par exemple constitués de pinces ou analogues. L'éprouvette 2 est préférentiellement renforcée aux zones d'encastrement 18 qui sont au contact des moyens d'encastrement 16. Un tel renforcement est par exemple obtenu par grenaillage ou épaississement des zones d'encastrement 18. Ces dispositions visent à éviter une fissuration de l'éprouvette 2 qui est susceptible de présenter une première épaisseur de l'ordre de 1 mm, dans ce cas-là. [0030] Sur la figure 6, le dispositif de fatigue 1 comprend deux sonotrodes 8 qui sont respectivement en contact avec la face supérieure 17 et la face inférieure 13 de l'éprouvette 2, en étant disposées en opposition l'une par rapport à l'autre. Dans ce cas-là, les matrices 4 sont en pluralité et sont également respectivement en contact avec la face supérieure 17 et la face inférieure 13 de l'éprouvette. [0031] Sur les figures 5 et 6, chaque sonotrode 8 comprend un point d'appui 19 qui est annulaire tandis que sur la figure 7, le point d'appui 19 est ponctuel. Sur cette dernière figure, les moyens d'encastrement 16 sont associés à des moyens de mise sous pression 20 de la face inférieure 13 de l'éprouvette 2. Le gaz sous pression s'oppose ainsi aux sollicitations vibratoires délivrées par la sonotrode 8. [0032] Sur la figure 8, est représentée en ordonnée la déformation de l'éprouvette 2 et en abscisse le rayon R du point où est considérée la déformation, le centre C de l'éprouvette 2 étant placé au point zéro. Il est remarquable que l'état de déformation au centre C de la face inférieure 13 de l'éprouvette 2 est purement équibiaxial. [0033] L'ensemble de ces dispositions est tel qu'un temps d'essai est réduit au minimum et permet l'obtention de résultats expérimentaux pour un dimensionnement juste nécessaire de pièces à réaliser. De plus, l'ensemble de ces dispositions est tel qu'un très grand nombre de cycles est réalisable en un temps réduit, le nombre de cycles atteignant 1010 cycles. De plus, il est possible d'étudier l'influence de défauts structurels sur les propriétés et modes d'endommagement en fatigue biaxiale dans le domaine des très grandes durées de vie. En effet, dans de nombreux systèmes mécaniques les pièces sont chargées de façon multiaxiale durant de très grands nombres de cycles (pièces de moteurs thermiques ou électriques, machines tournantes, roues de train, etc.). Il est donc nécessaire de bien connaître les mécanismes d'endommagement dans le régime gigacyclique sous des chargements représentatifs de la complexité de la réalité pour dimensionner les pièces avec des méthodes fiables et robustes. REVENDICATIONS1. Dispositif d'essai de fatigue (1) d'une éprouvette (2) comprenant un châssis (9) pourvu d'au moins une matrice (4) de réception de l'éprouvette (2), caractérisé en ce que le dispositif d'essai de fatigue (1) comprend un système de délivrance (5) à l'éprouvette (2) de sollicitations à fréquence ultrasonore comprise entre 10 kHz et 70 kHz. 2. Dispositif d'essai de fatigue (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le système de délivrance (5) comprend au moins un convertisseur piézoélectrique (6), au moins un booster (7) et au moins une sonotrode (8). 3. Dispositif d'essai de fatigue (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le booster (7) et la sonotrode (8) sont portés par un montant central (10') que comprend le châssis (9). 4. Dispositif d'essai de fatigue (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le montant central (10') est ménagé orthogonalement à un plan (P1) contenant la matrice (4). 5. Dispositif d'essai de fatigue (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'essai de fatigue (1) comprend des moyens de centrage (11) de l'éprouvette (2) sur la matrice (4). 6. Dispositif d'essai de fatigue (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'essai de fatigue (1) comprend des moyens d'encastrement (16) de l'éprouvette (2). 7. Dispositif d'essai de fatigue (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif d'essai de fatigue (1) comprend des moyens de mise sous pression (20) d'une face inférieure (13) de l'éprouvette (2). 8. Dispositif d'essai de fatigue (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif d'essai de fatigue (1) comprend au moins une jauge de déformation (14) qui équipe la face inférieure (13) de l'éprouvette (2). 9. Dispositif d'essai de fatigue (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce que la jauge de déformation (14) est associée à une chaine d'acquisition (14') de données extensométriques.