Brevet FR3019297A1 — publié le 20151002

Procédé de mesure de contraintes mécaniques par vibrométrie 3D DOMAINE G EN ERAL L'invention se rapporte au domaine des tests réalisés sur des pièces pour moteur. L'invention concerne plus particulièrement un procédé pour caractériser la réponse d'une pièce pour moteur à des contraintes mécaniques. ETAT DE L'ART Le développement d'un moteur complexe tel que celui d'un aéronef passe par de nombreux calculs qui se doivent à un moment donné d'être validés par des essais. Ces essais visent notamment à déterminer diverses informations vibratoires : les fréquences de résonances des pièces testées individuellement mais également des déformées associées, ainsi que les distributions de contraintes générés par ces déplacements répétés. L'holographie est une méthode connue pour déterminer les fréquences de résonance d'une pièce et les déformées associées. Cette méthode consiste à prendre des photos de la pièce alors qu'elle est soumise à des excitations, et de traiter les photos acquises afin d'en déduire les fréquences de résonance. L'holographie présente cependant divers inconvénients : les photos sont des images bidimensionnelles, inaptes à permettre la restitution d'informations vibratoires d'une pièce à profil complexe. Par ailleurs, l'holographie ne permet pas de déterminer une distribution de contraintes à la surface de la pièce. Une méthode différente connue pour déterminer une telle distribution de contraintes mécaniques à la surface d'une pièce consiste à 30 coller des jauges de contraintes (éléments de déformation) en nombre important sur cette surface. Une cartographie de la pièce A peut alors être réalisée. Des mesures ensuite effectuées sur la pièce permettent de déduire les fréquences propres de la pièce. Cependant, les mesures effectuées au moyen de ces jauges nécessitent une transmission d'énergie d'excitation conséquente afin de 5 faire ressortir de manière correcte les signaux de mesure, ce qui ne permettait pas d'assurer l'intégrité de la pièce. Par ailleurs, la cartographie de la pièce réalisée au moyen de telles jauges est grossière, dépend de la taille des jauges utilisées, et intègre des dérives liées aux intrusions des jauges sur la pièce en termes de masse (y compris la colle 10 et fils de connexion) et en termes d'amortissement. On connait par ailleurs un procédé de mesure sans contact par stéréo-corrélation permettant de remonter à des contraintes mécaniques surfaciques. Toutefois, un tel procédé par stéréo-corrélation ne peut fonctionner que dans des gammes de fréquences très réduites, voire pour 15 une seule fréquence (on parle alors de mesures statiques), et ne permet pas non plus de récolter les informations de fréquences sur toute bande de mesures. PRESENTATION DE L'INVENTION 20 Un but de l'invention est d'obtenir diverses informations vibratoires d'une pièce pour moteur au moyen d'un unique procédé: non seulement des fréquences de résonance et des déformées associées, mais également une distribution de contraintes mécaniques. Un autre but de l'invention est celui d'obtenir ces informations 25 vibratoires, au moyen d'un même procédé, pour des pièces de géométrie variées. Un autre but de l'invention est celui de fournir ces informations vibratoires en réponse à une excitation selon une gamme de fréquence large. Un autre but de l'invention est celui de déterminer une distribution de contraintes mécaniques plus précise qu'avec les procédés de l'art antérieur. Il est donc proposé selon un premier aspect un procédé pour 5 caractériser la réponse d'une pièce pour moteur à des contraintes mécaniques, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : acquisition d'une première série de mesures au moyen d'un vibromètre laser tridimensionnel balayant une première pluralité de 10 points de la surface de la pièce, chaque mesure de la première série étant acquise en réponse à une première excitation de la pièce selon une gamme de fréquence prédéterminée, sélection à partir de la première série de mesures d'au moins une sous-gamme de fréquences d'intérêt incluse dans la gamme de 15 fréquences prédéterminée, acquisition d'une deuxième série de mesures au moyen du vibromètre laser tridimensionnel balayant une deuxième pluralité de points de la surface de la pièce, chaque mesure de la deuxième série étant acquise en réponse à une deuxième excitation de la 20 pièce selon la sous-gamme de fréquences d'intérêt, traitement des deux séries de mesures pour générer une distribution de contraintes mécaniques de la pièce. Dans le procédé proposé, la vibrométrie permet de mesurer l'effet 25 Doppler dû à la vibration entre un faisceau laser incident et un faisceau réfléchi sur la surface de la pièce excitée. Après interférométrie entre ces deux faisceaux, la fréquence et la phase de la vibration pourront en être déduite. Les mesures par vibrométrie sont ainsi effectuées sans contact, peuvent être automatisées au lieu de requérir un opérateur sur place, ce 30 qui réduit considérablement la durée de leur acquisition. La vibrométrie autorise par ailleurs l'acquisition de mesures dans des zones de la pièce non accessibles par des jauges de contraintes. La vibrométrie est en outre particulièrement versatile puisqu'elle permet d'effectuer des analyses de types variés : analyse fréquentielle, 5 analyse modale et analyse des contraintes mécaniques subies par la pièce. La première série de mesures ne permet pas de générer à elle seule toutes les informations vibratoires, car l'énergie de la première excitation est répartie sur un trop grand nombre de fréquences ; cette première série permet néanmoins d'identifier des fréquences d'intérêt pour le 10 concepteur de la pièce. La deuxième série de mesures fournit des mesures d'une plus grande précision car ciblées sur ces fréquences d'intérêt, permettant ainsi de raffiner les mesures de la première série. Les informations vibratoires générées à partir des deux séries de 15 mesure fournissent donc des informations très précises. Le procédé décrit précédemment peut être complété au moyen des caractéristiques suivantes prises séparément, ou bien en combinaison lorsque cela est techniquement possible. 20 Le traitement peut comprendre la génération d'une distribution de contraintes mécaniques de la pièce à partir de la deuxième série de mesures. Le procédé peut en outre comprendre l'acquisition d'une image de la surface de la pièce, et la superposition d'un masque représentatif de la 25 distribution de contraintes mécaniques avec l'image acquise. La sous-gamme de fréquence d'intérêt peut comprendre au moins une fréquence propre de la pièce. La première pluralité de points et la deuxième pluralité de points peuvent être identiques. Chaque point peut faire partie d'un maillage calculé avant les étapes d'acquisition, le maillage étant en outre utilisé pour modéliser la pièce en vue de sa fabrication. Les étapes d'acquisition des séries de mesures peuvent être mises en oeuvre après qu'une jauge a été fixée sur une partie de la surface de la pièce. La jauge peut être destinée à mesurer des contraintes mécaniques subies par la pièce lorsque celle-ci est montée dans le moteur. En un point donné de la première pluralité ou de la deuxième pluralité, trois faisceaux laser sécants peuvent être simultanément focalisés vers ce point et trois détecteurs détecter chacun un des faisceaux réfléchi en ce point. Selon un deuxième aspect, il est également proposé un procédé de fabrication d'une pièce de moteur comprenant les étapes de : fabrication d'un prototype de la pièce sur la base d'un modèle tridimensionnel de la pièce, mise en oeuvre du procédé pour caractériser la réponse du prototype à des contraintes mécaniques selon le premier aspect de l'invention, et ajustement du modèle tridimensionnel en fonction du champ de contraintes mécaniques obtenu par cette mise en oeuvre. Il est aussi proposé un dispositif pour caractériser la réponse d'une pièce pour moteur à des contraintes mécaniques comprenant : un vibromètre laser tridimensionnel à balayage, au moins un excitateur de la pièce selon une gamme de fréquence ajustable, une unité de traitement configurée pour contrôler la gamme de fréquence de l'excitateur, et pour générer des informations vibratoires de la pièce à partir de mesures acquises par le vibromètre, par mise en oeuvre des étapes du procédé de caractérisation selon le premier aspect de l'invention. DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : La figure 1 représente un dispositif de mesure selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 2 représente de façon schématique un vibromètre laser compris dans le dispositif de mesure de la figure 1. La figure 3 illustre les étapes d'un procédé de caractérisation de la réponse d'une pièce à des contraintes mécaniques, selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 4 détaille les sous-étapes d'étapes d'acquisition représentées en figure 3. La figure 5 représente différents types d'informations vibratoires obtenues par le procédé de la figure 3. La figure 6 est un ensemble de deux images d'une pièce obtenues par la mise en oeuvre du procédé de la figure 3. Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, un dispositif 1 de mesure de contraintes mécaniques comprend un vibromètre laser tridimensionnel 10, des moyens de traitement 20 de mesures acquises par le vibromètre 10, des moyens de pilotage 30 du vibromètre 10 et des moyens d'excitation vibratoire 40 d'une pièce A. La pièce A est destinée à être montée dans un moteur. Elle peut être une pièce fixe du moteur, ou bien une pièce mobile dans ce moteur, telle qu'une aube de turbomachine. Le vibromètre laser 10 comprend trois têtes mobiles 10a, 10b et 10c 5 indépendantes placées en des points différents de l'espace. Chaque tête laser est adaptée pour générer un faisceau laser (respectivement Fa, Fb, Fc). Les moyens de pilotage 30 sont adaptées pour contrôler l'orientation des trois têtes laser 10a, 10b et 10c de façon à ce qu'elles 10 focalisent leurs faisceaux Fa, Fb et Fc en un même point de l'espace simultanément. Les moyens d'excitation 40 de la pièce A peuvent être de nature très variée : par exemple, un haut-parleur ou un pot vibrant. On admettra simplement dans la suite que les moyens d'excitation 40 peuvent exciter 15 la pièce A sur une gamme de fréquence dont les bornes et la largeur sont ajustables. Les moyens de traitement 20 sont configurés pour générer à partir de mesures acquises par le vibromètre laser 10 diverses informations vibratoires relatives à la pièce A. 20 Le dispositif 1 de mesure comprend également une caméra (non- illustrée) adaptée pour acquérir des images en deux dimensions ainsi qu'un écran d'affichage 50 relié aux moyens de traitement 20. Le fonctionnement interne d'une quelconque des têtes du vibromètre laser 10 est détaillé sur la figure 2. 25 Chaque tête laser du vibromètre laser 10 comprend une source monochromatique 12 (laser), un interféromètre 14 et un détecteur 16. L'interféromètre 14, connu en lui-même, comporte une pluralité de d'éléments optique permettant de diviser un faisceau laser émis par la source 12 en deux faisceaux, l'un étant dirigé vers le détecteur 16, l'autre 30 étant dirigé vers l'objectif (non-illustré) de la tête laser. Chaque tête laser, dont le fonctionnement sera détaillé dans la suite, permet d'acquérir un signal élémentaire représentatif de vibrations subies par une pièce. On va maintenant décrire en regard des figures 3 et 4 un procédé 5 permettant de caractériser la réponse de la pièce A à des contraintes mécaniques. La pièce A n'est pas encore monté dans le moteur mais est placé sur un support en regard du vibromètre 10 formé par les trois têtes laser 10a, 10b et 10c. 10 Au cours d'une étape préliminaire 100, est calculé un maillage de points de l'espace représentatif de la surface de la pièce A à analyser. De préférence, ce maillage est un modèle en trois dimensions directement issu d'un logiciel de conception assistée par ordinateur utilisé dans le cadre de la fabrication de la pièce A. 15 Ce maillage comprend une pluralité de noeuds, et pour chacun de ces noeuds, est déterminée une consigne de pilotage des trois têtes laser de sorte que ces têtes émettent un faisceau laser simultanément vers le point correspondant de la surface de la pièce A à analyser. Les consignes de pilotage peuvent typiquement être déterminées par identification de 20 points caractéristiques de la structure (angles vif) par le biais des lasers et en forçant leurs coordonnées aux valeurs du calcul. Un algorithme réalise ainsi la projection dans l'espace du maillage virtuel. Dans une première étape d'acquisition référencée 200a, une première série de mesures est acquise par le vibromètre laser 10, chaque 25 mesure étant réalisée en un point de la surface de la pièce A, correspondant à un noeud respectif du maillage précalculé. Les sous-étapes de l'acquisition d'une mesure de la première série sont détaillées en figure 4. Dans une première étape référencée 201, les trois têtes laser 10a, 30 10b et 10c sont orientées simultanément vers un point P de la surface de la pièce A par les moyens de pilotage 30. Dans une étape 202, la source monochromatique 12 de la tête laser 10a émet un faisceau laser source. Le faisceau laser source est divisé par l'interféromètre 14 correspondant en un premier faisceau, dit faisceau de référence, lequel est redirigé directement vers le détecteur 16 correspondant, et en un deuxième faisceau Fa qui lui est projeté à l'extérieur de la tête 10a, vers le point P de la surface de la pièce A. Les têtes 10b et 10c sont utilisées de façon similaire, de façon à produire des faisceaux Fb et Fc dirigés vers le point P de la surface de la pièce A. Chaque deuxième faisceau Fa, Fb, Fc est réfléchi en ce point de la 10 surface, traverse à nouveau l'interféromètre correspondant, et, par un jeu de miroirs connus en eux-mêmes, est redirigé vers le détecteur 16. La pièce A étant au repos, les fréquences respectives de chaque faisceau de référence et du faisceau réfléchi correspondant sont identiques. 15 Dans une étape d'excitation 203, les moyens d'excitation 40 excitent la pièce A dans une gamme prédéterminée de fréquences. Cette excitation suscite des vibrations de la surface de la pièce A. En conséquence, chaque faisceau laser Fa, Fb, Fc réfléchi au point de la surface de la pièce A voit alors sa fréquence décalée par effet Doppler, 20 par rapport au faisceau de référence. Chaque détecteur 16 produit alors un signal de mesures représentatives des vibrations subies par la pièce au point de focalisation P des trois têtes laser. Dans la mesure où les faisceaux Fa, Fb et Fc sont sécants et orientés simultanément vers le même point de l'espace, les trois signaux 25 produit par les détecteurs respectifs des têtes laser 10a, 10b et 10c constituent ensemble une mesure tridimensionnelle des vibrations subies par la pièce A en le point P. Chaque signal a un spectre couvrant sensiblement la gamme de fréquences d'excitation telle que le spectre représenté en haut de la 30 figure cinq. Dans un tel spectre, certaines fréquences, dites fréquences propres ou fréquences de résonance, sont particulièrement amplifiées par la pièce A. Ces fréquences propres sont susceptibles de détériorer la pièce ou le moteur auquel elle est destinée. Il est donc important de les détecter même s'il n'est pas toujours possible de les éliminer. Les étapes 201 à 204 sont répétées pour chaque point du maillage 5 précalculé. Sont ainsi produites, à l'issue de l'étape d'acquisition 200a autant de mesures tridimensionnelles que de points dans le maillage, ces mesures constituant la première série. De retour à la figure 3, est ensuite mis en oeuvre une sélection 102 une ou plusieurs sous-gammes de fréquences d'intérêt à partir de la 10 première série de mesures. Chaque sous-gamme sélectionnée contient de préférence au moins une fréquence propre de la pièce. Par exemple, la sélection 102 peut être opérée sur la base d'un seuil d'amplitude : seules les fréquences présentant une amplitude supérieure à ce seuil sont sélectionnées. 15 Une conséquence directe de cette sélection 102 et que la ou les sous-gammes de fréquence d'intérêt couvrent un moins grand nombre de fréquences que la gamme utilisée au cours de l'acquisition 200a de la première série de mesures. Dans une étape référencée 200b, le vibromètre 10 effectue 20 l'acquisition d'une deuxième série de mesures. Au cours de cette deuxième acquisition 200b, les étapes d'orientation 201, d'émission 202, et de mesures 204 sont mises en oeuvre de façon identique que lors de l'acquisition d'une première série de mesures. En particulier, les mesures de la deuxième série sont effectuées 25 aux mêmes points que les mesures de la première série, de façon à éviter un calcul supplémentaire de maillage. Toutefois, au cours de la deuxième acquisition 200b, la sous-étape d'excitation de la pièce 203 est effectuée selon la sous-gamme de fréquences d'intérêt de largeur inférieure à la gamme utilisée lors de 30 l'acquisition de la première série de mesures. Cette modification de gamme de fréquence peut être obtenue par reconfiguration des moyens d'excitation 40 ou bien par utilisation de moyens d'excitation différents pour les deux acquisitions 200a et 200b. Dans une étape 106, les mesures de la première série et de la deuxième série sont traités de façon à générer diverses informations 5 vibratoires de la pièce A analysée. Au cours de cette étape de traitement 106, pour chaque fréquence de la gamme de fréquences d'excitation utilisée au cours de la première acquisition 200a, une déformée correspondante est générée. Par ailleurs, chaque mesure de la deuxième série est traitée de 10 façon à obtenir une information de déplacement de la pièce en le point correspondant de la surface de la pièce A analysée. A partir des mesures de la deuxième série, est également produite une distribution de contraintes mécaniques. On notera que l'utilisation de la deuxième série de mesures permet 15 d'obtenir une distribution de contraintes mécaniques de plus grande précision qu'avec la première série de mesures, en raison de la concentration de l'énergie sur les gammes de fréquences réduites sélectionnées au cours de l'étape 102. Les deux séries de mesures permettent ainsi la production 20 d'informations vibratoires variées et complémentaire de la pièce A : fréquences propres, déformées associées, et distribution de contrainte. Des exemples d'images représentatives de telles informations sont représentées en figure 5. Dans une étape 106, la caméra du dispositif 1 acquiert une image 25 bidimensionnelle de la pièce analysée A. Cette image est superposée à un masque représentatif de la distribution de contraintes de façon à produire une image permettant d'indiquer à un opérateur le degré de contrainte en tout point de la pièce A. L'image obtenue par la superposition 106 est ensuite visualisée 107 30 sur un écran d'affichage 50 connecté aux moyens de traitement 20. Après visualisation, l'opérateur peut être amené à détecter un défaut potentiel dans la géométrie de la pièce A. On notera que l'utilisation d'un maillage précalculé pour définir à l'avance les points de la surface de la pièce A où effectuer des mesures 5 permet d'accroître la précision des acquisitions et facilite considérablement l'exploitation des informations vibratoires obtenues. De plus, les résultats peuvent être directement exprimés dans le repère du maillage et non dans un repère lié à la pièce elle-même, contrairement au procédé de mesures par jauges qui nécessite d'opérer un changement de 10 repère. D'autre part, le procédé proposé permet de remplacer plusieurs essais nécessaires à la caractérisation de pièces sous sollicitations dynamiques entretenues. Le procédé de mesure est particulièrement avantageux si la pièce A 15 est un prototype non finalisé. Si ce prototype s'avère présenter des contraintes trop importantes sur certaines zones de sa surface, l'opérateur peut ainsi directement modifier le modèle tridimensionnel de la pièce à fin de remédier à ces problèmes de contraintes. Pour tester la réponse vibratoire d'une pièce de moteur tel qu'un 20 moteur d'avion, il est important de procéder à des tests sur la pièce isolée du moteur, mais également lorsque la pièce est montée dans le moteur. Il s'avère que les mesures par vibrométrie ne peuvent pas être correctement mises en oeuvre lorsque la pièce A est montée dans un moteur, notamment pour des raisons de manque de visibilité. Pour 25 procéder à des mesures alors que la pièce est montée dans le moteur, il est néanmoins possible de fixer un nombre réduit jauges de mesure sur la surface de la pièce montée (par exemple une seule), cette fixation étant relativement longue à mettre en oeuvre. Il convient toutefois de noter qu'une telle jauge ne pourra mesurer des informations de contraintes 30 mécaniques que sur la portion de surface de la pièce sur laquelle elle est fixée ; aussi, cette jauge se doit d'être judicieusement placée. En conséquence, le procédé selon l'invention peut être mise en oeuvre sur une pièce A instrumentée avec une telle jauge, avant son montage dans le moteur. Les mesures par vibrométrie tridimensionnelle effectuées permettent en effet de vérifier, par visualisation de la distribution de contraintes, si la jauge est placée à un endroit pertinent de la surface de la pièce, sans avoir à multiplier des opérations de décollage et recollage de la jauge suite à de multiples essais de mesures alors que la pièce est montée dans le moteur. On a représenté sur la figure 6, un exemple d'image issue d'une superposition 106, sur laquelle la jauge est visible. Le fait de visualiser le placement de la jauge avec la distribution de contraintes mécaniques permet donc à l'opérateur de déterminer une zone pertinente ou recoller cette jauge en fonction de la contrainte à tester. REVENDICATIONS1. Procédé pour caractériser la réponse d'une pièce (A) pour moteur à des contraintes mécaniques, le procédé étant caractérisé en ce qu'il 5 comprend les étapes de : acquisition (200a) d'une première série de mesures au moyen d'un vibromètre laser tridimensionnel balayant une première pluralité de points de la surface de la pièce (A), chaque mesure de la première série étant acquise en réponse à une excitation de la pièce selon 10 une gamme de fréquence prédéterminée, sélection (102) à partir de la première série de mesures d'au moins une sous-gamme de fréquences d'intérêt incluse dans la gamme de fréquences prédéterminée, acquisition (200b) d'une deuxième série de mesures au moyen du 15 vibromètre laser tridimensionnel balayant une deuxième pluralité de points de la surface de la pièce (A), chaque mesure de la deuxième série étant acquise en réponse à une excitation de la pièce selon la sous-gamme de fréquences d'intérêt, traitement (104) des deux séries de mesures pour générer des 20 informations vibratoires de la pièce (A). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le traitement comprend la génération d'une distribution de contraintes mécaniques de la pièce à partir de la deuxième série de mesures. 25 3. Procédé selon la revendication 2, comprenant en outre les étapes de : acquisition (106) d'une image de la surface de la pièce, superposition (107) d'un masque représentatif de la distribution de contraintes mécaniques avec l'image acquise. 30 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la sous-gamme de fréquence d'intérêt comprend au moins une fréquence propre de la pièce. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la première pluralité de points et la deuxième pluralité de points sont identiques. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel chaque point fait partie d'un maillage calculé (100) avant les étapes d'acquisition, le 10 maillage étant en outre utilisé pour modéliser la pièce en vue de sa fabrication. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les étapes d'acquisition (200a, 200b) des séries de mesures sont mises en oeuvre 15 après qu'une jauge a été fixée sur une partie de la surface de la pièce. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la jauge est destinée à mesurer des contraintes mécaniques subies par la pièce lorsque celle-ci est montée dans le moteur. 20 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel, en un point donné de la première pluralité ou de la deuxième pluralité, trois faisceaux laser sécants sont simultanément focalisés (202) vers ce point et trois détecteurs détectent (204) chacun un des faisceaux réfléchi en ce point. 25 10. Procédé de fabrication d'une pièce de moteur, comprenant les étapes de : - fabrication d'un prototype de la pièce sur la base d'un modèle tridimensionnel de la pièce,mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 9 pour caractériser la réponse du prototype à des contraintes mécaniques, et ajustement du modèle tridimensionnel en fonction du champ de contraintes mécaniques obtenu par cette mise en oeuvre. 11. Dispositif (1) pour caractériser la réponse d'une pièce (A) pour moteur à des contraintes mécaniques comprenant : un vibromètre laser tridimensionnel à balayage (10), au moins un excitateur (40) de la pièce (A) selon une gamme de fréquence ajustable, une unité de traitement (20) configurée pour contrôler la gamme de fréquence de l'excitateur (40), et pour générer des informations vibratoires de la pièce (A) à partir de mesures acquises par le vibromètre (10), par mise en oeuvre des étapes du procédé selon l'une des revendications 1 à 10.20