Brevet FR3038721A1 — publié le 20170113

Tribomètre pour la mesure de champs de déplacements à l'interface de deux éléments DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un tribomètre pour la mesure de champs de déplacements à l'interface de deux éléments. ETAT DE L'ART L'état de l'art comprend notamment les documents WO-A1-2014/184468, WOA1-2014/184469 et WO-A1-2014/184494. On a représenté en figure 1 un disque de rotor 10 de turbomachine qui comprend à sa périphérie une rangée annulaire d'alvéoles 12 dans lesquelles sont emmanchés des pieds d'aubes 14, qui sont par exemple du type en queue d'aronde, pour former une roue de rotor, telle qu'une roue de soufflante. En fonctionnement, les aubes sont soumises à des forces centrifuges et leurs pieds viennent en appui sur des portées latérales 16 des alvéoles 12 du disque 10. Les aubes sont en outre soumises à des oscillations liées aux efforts aérodynamiques, qui induisent des glissements relatifs entre les pieds d'aube 14 et le disque 10. Ces sollicitations influent sur la durée de vie des attaches aube-disque. Le problème d'usure ou d'endommagement par « fretting » des pieds d'aube de soufflante des turbomachines est un problème ancien et récurrent. Par définition, le « fretting » est un mouvement oscillatoire de faible amplitude appliqué aux surfaces en contact, c'est-à-dire à l'interface de contact. Ce phénomène est la cause du phénomène d'usure ainsi que l'amorçage et la propagation de fissures. On peut classer les phénomènes de « fretting » en trois grandes catégories : le mode I, mode II et le mode III. Cette classification a été proposée par Mohrbacher et al. (Mohrbacher H., Blanpain B., Celis J. R., Stals L., Vanstappen M., Oxidational Wear of Tin Coatings On Tool Steel And Nitrided Tool Steel In Unlubricated Fretting. Wear, vol.188, n° 1-2, 1995, p. 130137) Dans le cas du contact aube-disque précité, les modes I et III sont prédominants. Pour les matériaux homogènes, les solutions analytiques ainsi que les essais classiques prédisent assez bien ce qui se passe à l'interface des matériaux en contact. Par contre, avec l'avènement des matériaux composites, notamment dans le cas du contact aube en matériau composite-disque, il devient indispensable de connaître 3038721 2 finement ce qui se passe à l'interface afin de valider les modèles numériques, de développer des lois d'endommagements phénoménologiques, etc. Les tribomètres actuellement sur le marché se limitent à la mesure du coefficient de frottement à l'interface et ne permettent pas de mesurer les champs de 5 déplacements ou de déformations réelles à l'interface des deux matériaux en contact pour les trois modes de fretting (modes I, Il, III). La présente invention apporte une solution simple, efficace et économique à ce besoin. EXPOSE DE L'INVENTION 10 La présente invention propose ainsi un tribomètre pour la mesure de champs de déplacements à l'interface de deux éléments, le tribomètre comportant : - des premiers moyens de support d'un premier élément réalisé dans un premier matériau, - des seconds moyens de support d'un second élément réalisé dans un second 15 matériau et destiné à être appliqué contre ledit premier élément, de façon à créer une interface de contact entre lesdits premier et second éléments, - des moyens de sollicitation dynamique (de type fretting) desdits premiers et/ou seconds moyens de support, et/ou dudit premier et/ou second élément, suivant au moins un axe, de façon à générer des déplacements de points de contact à ladite 20 interface, - des moyens de détection des force(s) et moment(s) appliqués suivant ledit au moins axe, caractérisé en ce que ledit premier élément est réalisé dans un matériau transparent et en ce que ledit tribomètre comprend en outre : 25 - des moyens d'éclairage de ladite interface à travers ledit matériau transparent, et - des moyens de capture d'images de ladite interface à travers ledit matériau transparent, et de traitement desdites images. De préférence, lesdits moyens de sollicitation sont aptes à pouvoir reproduire les trois modes de fretting précités. Les différents organes du tribomètre sont de préférence 30 portés par un bâti configuré pour limiter la génération de chargements parasites. Dans le cas où le second matériau est un matériau composite, obtenu par exemple par tissage tridimensionnel de fibres noyées dans une résine, le tribomètre peut permettre de connaître les valeurs des champs de déformations générées à la 3038721 3 surface de l'éprouvette pour les trois modes de fretting précités. La connaissance de ces grandeurs permet entre autres de recaler des modèles numériques, de développer des lois d'endommagement phénoménologiques, de comprendre ce qui se passe à l'interface du matériau composite, etc. 5 Le tribomètre selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - ledit premier matériau est un verre, ledit premier élément étant par exemple une plaque de verre, 10 - ledit second matériau est un matériau composite, - ledit second élément est une éprouvette comportant au moins une portion de contact sensiblement sphérique, - lesdits moyens de sollicitation dynamique (type fretting) comprennent un premier actionneur pour l'application d'une force dans une direction sensiblement 15 perpendiculaire à ladite interface, et de préférence sensiblement verticale, - ledit premier actionneur est un actionneur piézoélectrique configuré pour appliquer un chargement normal suivant un axe vertical Z, il est de préférence configuré pour appliquer cette charge normale de façon progressive, - lesdits moyens de sollicitation dynamique (de type fretting) comprennent un second 20 actionneur pour l'application d'une force dans une direction sensiblement parallèle ou tangentielle à ladite interface, et de préférence sensiblement horizontale, et de préférence pour l'application d'un moment suivant ladite direction sensiblement perpendiculaire à ladite interface, - ledit second actionneur est un moteur électrique configuré pour imposer un 25 déplacement alternatif suivant un axe horizontal X, et de préférence un moment suivant l'axe Z, - lesdits moyens de détection comprennent un unique capteur de forces apte à mesurer des forces suivants trois composantes et les trois moments correspondants, - le capteur de forces est intercalé entre ledit second élément ou ses moyens de 30 support, et ledit second actionneur, - lesdits moyens de capture et de traitement d'images comprennent au moins une caméra et des moyens informatiques configurés pour déterminer des champs de déplacements à ladite interface et en déduire des champs de déformation, la caméra 3038721 4 est de préférence une caméra haute définition, équipée par exemple d'un capteur de résolution supérieure à 20 millions de pixels, - lesdits moyens de capture et de traitement d'images sont configurés pour déterminer des champs de déformation à partir de champs de déplacements en utilisant une 5 technique de corrélation d'images, - les moyens d'illumination comprennent au moins une source lumineuse, de préférence configurée pour éclairer ladite interface avec une incidence rasante. La présente invention concerne encore un procédé de mesure de champs de déplacements à l'interface de deux éléments, au moyen d'un tribomètre tel que décrit 10 ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes consistant à : - capturer des images avec lesdits moyens de capture d'images, - soumettre ladite interface de contact à des chargements avec lesdits moyens de sollicitation, - identifier et suivre des positions de points de contact à ladite interface, au fur et à 15 mesure des chargements, et - analyser lesdites positions avec les moyens de traitement d'images de façon à déterminer les champs de déplacements à ladite interface. DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages 20 de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue très schématique partielle d'une roue de soufflante de turbomachine ; - la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un tribomètre selon l'invention ; 25 - la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2 ; - la figure 4 est une vue simplifiée du tribomètre ; - la figure 5 est un organigramme montrant des étapes d'un procédé selon l'invention de mesure de champs de déplacements à un interface de contact ; - les figures 6 et 7 sont des images d'une interface de contact prises par des moyens de 30 capture d'images du tribomètre, avant et après déformation ; - les figures 8 et 9 sont des images d'une autre interface de contact prises par les moyens de capture d'images du tribomètre, avant et après déformation ; 3038721 5 - les figures 10 et 11 montrent un principe de détermination de champs de déplacement par corrélation d'images ; - les figures 12 et 13 sont des images d'une interface de contact et représentent des étapes de traitement d'images par des premiers moyens de traitement du tribomètre ; et 5 - les figures 14 et 15 sont des images d'une interface de contact et représentent des étapes de traitement d'images par des seconds moyens de traitement du tribomètre. DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 décrite dans ce qui précède montre les efforts auxquels les aubes de soufflante sont soumises en fonctionnement. Elles sont soumises aux forces centrifuges 10 (flèche T), aux vibrations (flèche V) ainsi qu'aux phénomènes de « fretting » au niveau de leurs pieds d'aube 14. Chaque pied d'aube 14 est en contact avec des portées latérales 16 de l'alvéole 12 correspondante, et ces phénomènes ont lieu aux interfaces de contact. Ces phénomènes sont classés en trois modes, le premier mode ou mode I correspond à un chargement normal (flèche P), c'est-à-dire perpendiculaire à l'interface 15 de contact (axe Z), et à une sollicitation dynamique (type fretting) du pied dans une direction tangentielle par rapport à cette interface (flèche Q - axe X). Le second mode ou mode II correspond à un chargement normal progressif (flèche P), c'est-à-dire à une sollicitation dynamique (de type fretting) dans une direction perpendiculaire à l'interface (axe Z). Enfin, le troisième mode ou mode III correspond à un chargement normal 20 (flèche P) et à un moment suivant l'axe Z (flèche M). Le tribomètre selon l'invention permet de reproduire ces différents modes de fretting et de mesurer les champs de déplacements à l'interface de contact. Les figures 2 et 3 représentent un mode de réalisation du tribomètre 20 selon l'invention. 25 Le tribomètre 20 comprend un bâti 22 comprenant pour l'essentiel un bloc de base 24 et des montants verticaux 26, qui s'étendent vers le haut depuis le bloc de base 24. Les montants verticaux 26 sont ici au nombre de deux et sont disposés à distance l'un de l'autre pour définir un espace inter-montants au niveau duquel sont empilés plusieurs organes du tribomètre 20. Les extrémités inférieures des montants 26 30 sont fixées au bloc 24 et leurs extrémités supérieures sont reliées par une traverse de renfort 28. Le tribomètre 20 permet de réaliser des mesures de champs de déplacements à une interface de contact entre deux éléments 30, 32 : un premier élément qui est ici une 3038721 6 plaque de verre 30 et un second élément qui est une éprouvette 32, de préférence en matériau composite. Le but est de connaître les valeurs des champs de déformations générées à l'interface de contact, et en particulier à la surface de contact de l'éprouvette 32, pour les trois modes de fretting. 5 La plaque de verre 32 est portée par des moyens de support 34 qui sont montés sur le bloc de base 24 de façon à pouvoir être déplacés suivant au moins un axe horizontal X et plus globalement dans un plan horizontal XoY. Le déplacement des moyens de support 34 est réalisé au moyen d'un actionneur, qui est ici un moteur électrique 36, de préférence du type pas à pas. Le moteur 36 est fixé au bloc de base 10 24 et sollicite les moyens de support 34 suivant l'axe X. Les moyens de support 34 sont montés sur le bloc de base 24 par des moyens de guidage 38, par exemple à billes, qui autorisent les déplacements précités. Le moteur 36 est par exemple celui commercialisé par la société Nanotec sous la référence L5918 L3008-T10x2. 15 L'éprouvette 32 a une forme générale cylindrique d'axe vertical Z. Son extrémité inférieure est sensiblement conformée en portion de sphère et prend appui sur la surface supérieure de la plaque de verre 32, pour réaliser une interface de contact. L'extrémité supérieure de l'éprouvette 32 est fixée à des moyens de support 40 sur lesquels est monté un capteur de forces 42. 20 Le capteur 42 est par exemple celui commercialisé par la société PM Instrumentation sous la dénomination MC3A. Ce capteur mesure des forces suivants trois composantes Fx, Fy, Fz et ses trois moments Mx, My, Mz correspondants. Le tribomètre 20 est équipé d'un autre actionneur 44 porté par la traverse 28 et sollicitant le capteur 42 par son extrémité supérieure. 25 L'actionneur 44 est de préférence du type piézoélectrique et est par exemple celui commercialisé par la société Cedrat Technologies sous la référence PPA6OL. Comme on le voit dans les dessins, les organes suivants du tribomètre 20 sont montés les uns au-dessus des autres entre les montants 26 du bâti 22 : les moyens de support 34 de la plaque de verre 30, l'éprouvette 32 et ses moyens de support 40, le 30 capteur 42 et l'actionneur 44. Les moyens de support 34 de la plaque de verre 30 comprennent un orifice 46 traversant débouchant au niveau de la plaque 30. Ces moyens 34 sont ici formés par une plaque métallique comportant un alésage central formant l'orifice 46 précité. Cet 3038721 7 orifice 46 s'étend suivant l'axe Z et permet d'une part l'éclairage de l'interface de contact entre la plaque 30 et l'éprouvette 32, ainsi que la capture d'images de cette interface. Le verre de la plaque 30 est choisi pour avoir une bonne qualité optique permettant à la fois la transmission des rayons lumineux d'éclairage ainsi que la capture 5 d'images à travers lui. L'éclairage est assuré par une source lumineuse 48 qui peut être portée par le bâti 20 ou indépendante de ce dernier, comme c'est le cas dans l'exemple représenté. Les rayons lumineux sont ici acheminés depuis la source lumineuse 48 jusqu'à l'interface F au moyen d'au moins une fibre optique 50, de préférence du type pieuvre. 10 La fibre optique (pieuvre) passe à travers des logements 52 du bloc de base 24 et son extrémité libre de sortie de la lumière est de préférence orientée de façon à ce que la lumière parvienne à l'interface de contact F avec une incidence rasante. La capture d'images est réalisée au moyen d'une caméra 54, de préférence haute définition. Elle est par exemple équipée d'un capteur de résolution de 29 15 mégapixels. La caméra 54 peut être portée par le bâti 20 ou indépendante de ce dernier. Les images de l'interface F sont prises à travers la plaque de verre 30. Elles peuvent être prises directement à travers la plaque 30 en disposant la caméra sous la plaque 30 et suivant l'axe Z, par exemple dans les logements 52, ou bien les images peuvent être prises à distance par l'intermédiaire de moyens optiques incluant par 20 exemple au moins une fibre optique pour l'acheminement des images jusqu'à l'extérieur du bâti où se situerait la caméra 54. Il peut s'agir d'une connexion Camlink® spécifique à la caméra qu'on utilise ou d'une autre technologie, par exemple Ethernet, USB, etc. La figure 4 est une vue très schématique du tribomètre et de certains de ses organes. Comme expliqué dans ce qui précède, le moteur 36 permet d'appliquer un 25 effort Q suivant l'axe X sur la plaque de verre 30, ce qui revient à appliquer un effort tangentiel à l'interface de contact F. L'actionneur 44 permet d'appliquer un effort P suivant l'axe Z sur le capteur 42, ce qui revient à appliquer un effort normal à l'interface de contact F. Le moteur 36 permet également d'imposer un moment M suivant l'axe Z. La combinaison de ces efforts P, Q et moment M permet au tribomètre 20 de 30 reproduire les trois modes de fretting. Le mode I correspond à un effort normal P et à une sollicitation dynamique (de type fretting) Q suivant l'axe X. Le mode II correspond à une sollicitation dynamique P progressive suivant l'axe Z et le mode III correspond à un effort normal associé à un moment M suivant l'axe Z. 3038721 8 Bien que cela ne soit pas représenté dans les dessins, le tribomètre 20 est relié à des moyens informatiques destinés d'une part à commander le fonctionnement des appareils électriques du tribomètre, tels que le moteur 36 et l'actionneur 44, en fonction des informations reçues par le capteur 42, et d'autre part à recevoir et à traiter les 5 images provenant de la caméra 54. Ces moyens informatiques sont équipés d'un logiciel d'asservissement du capteur 42, du moteur 36 et de l'actionneur 44, et un logiciel d'acquisition et de traitement d'images. L'asservissement permet de contrôler les différents types de chargements appliqués. La figure 5 est un organigramme présentant des étapes du procédé selon 10 l'invention de mesure de champs de déplacements à l'interface des deux éléments 30, 32. Dans l'exemple représenté, le procédé comprend cinq étapes : 56, 58, 60, 62 et 64. La première étape 56 consiste à mettre en marche le capteur 42 ainsi que les moyens informatiques précités, et leur logiciel d'asservissement. L'étape 58 suivante 15 consiste à fixer l'éprouvette 32 sur ses moyens de support 40 et à mettre en place la plaque de verre 30 et ses moyens de support 32 sur le bâti 22. La plaque de verre 30 est préalablement nettoyée pour supprimer toute trace sur celle-ci. L'éprouvette 32 est mise au contact de la plaque de verre 30 pour créer l'interface de contact F. On peut alors étalonner le capteur 42 en vérifiant qu'en l'absence de chargement, celui-ci ne 20 détecte aucun effort ou déplacement. L'étape 60 suivante consiste à régler la caméra 54, en particulier pour vérifier la netteté des images capturées de l'interface F. Le logiciel d'acquisition est mis en marche et une première image de référence de l'interface F est acquise. L'étape 62 suivante consiste à réaliser un essai de fretting souhaité, avec les modes I, Il et III. La caméra capte de façon régulière des images de 25 l'interface F, qui sont transmises aux moyens informatiques en vue de leur traitement. La caméra 54 permet ainsi de capter des images montrant les positions des points de contact (mouchetis) à l'interface F, au fur et à mesure du chargement. Le logiciel de traitement d'images permet d'analyser les images et de déterminer les champs de déplacements à l'interface F. Ces champs de déplacements permettent de déduire les 30 champs de déformations à l'interface. Les figures 6 et 7 sont des images capturées par la caméra 54 d'une interface de contact, respectivement avant et après sollicitation dynamique (de fretting). Ces images 3038721 9 présentent des différences, en particulier au centre de l'image (G et G'), qui ne sont pas forcément visibles à l'oeil nu (ils peuvent être de dimension de l'ordre du micron). Les figures 8 et 9 sont des images capturées par la caméra 54 d'une autre interface de contact, respectivement avant et après sollicitation dynamique. Ces images 5 présentent également des différences, en particulier au centre de l'image (H et H'). Le logiciel de traitement d'images ne sera pas décrit dans le détail dans ce qui suit. Un homme du métier, spécialisé dans ce type de traitement, sait quel type d'outil utilisé et comment l'utiliser. Des exemples de logiciel seront cités dans ce qui suit. Le logiciel de traitement d'images a globalement pour but de déterminer les 10 champs de déplacements puis d'en déduire les champs de déformations, en utilisant une technique de corrélation d'images. La mesure de champs de déplacement et de déformations par corrélation d'images est connue de l'homme du métier, et détaillée par exemple dans le document « Mesure de champs de déplacement par corrélation d'images et applications en 15 mécanique des solides », de François HILD, Septembre 2013, LMT-Cachan, ENS Cachan / CNRS-UMR 8535 / Université Paris 6 - 61, avenue du Président Wilson 94235 Cachan Cedex - France », accessible à l'adresse internet suivante : http://www.holo3.com/UserFiles/File/Publication1_FH.pdf. On suppose préalablement que la surface considérée (surface à corréler) 20 présente un mouchetis (naturel, ou projeté par exemple de la peinture sur un matériau métallique). Dans le cas d'un matériau composite, ce mouchetis est naturel de par la microstructure même du matériau composite. Ceci permet de considérer la surface de contact comme la plus aléatoire possible. La corrélation d'images compare deux images d'une surface prises à des instants différents (figures 9 et 10). La première 25 image sera considérée comme l'état de référence et la seconde comme déformée. Il est donc alors possible de mesurer une variation locale et globale du champ de déplacements. Partant des champs de déplacements, on peut remonter aux champs de déformations. Il existe deux approches de corrélation d'images numériques : la corrélation d'images locale et la méthode globale. Nous ne rentrerons pas dans le 30 détail des équations mathématiques permettant de remonter aux champs de déplacements. Cependant, il existe des logiciels commerciaux de corrélation d'images comme le VIC 2D ou des logiciels recherche comme Ufreckles. 3038721 10 Les figures 12 et 13 sont des images correspondants aux figures 7 et 9 et qui ont été traitées au moyen du logiciel VIC 2D. Les figures 14 et 15 sont des images correspondants aux figures 7 et 9 et qui ont été traitées au moyen du logiciel recherche Ufreckles. 5 Les résultats obtenus avec les deux logiciels sont comparables et permettent notamment d'identifier les zones I, l' de plus grandes déformations. Chaque logiciel est apte à quantifier ces champs de déplacements et de déformations. 10 REVENDICATIONS1. Tribomètre (20) pour la mesure de champs de déplacements à l'interface (F) de deux éléments (30, 32), le tribomètre comportant : - des premiers moyens de support (34) d'un premier élément (30) réalisé dans un premier matériau, - des seconds moyens de support (40) d'un second élément (32) réalisé dans un second matériau et destiné à être appliqué contre ledit premier élément, de façon à créer une interface de contact entre lesdits premier et second éléments, - des moyens (36, 44) de sollicitation dynamique desdits premiers et/ou seconds moyens de support, et/ou dudit premier et/ou second élément, suivant au moins un axe (X, Y, Z), de façon à générer des déplacements de points de contact à ladite interface, - des moyens (42) de détection des force(s) et moment(s) appliqués suivant ledit au moins axe, caractérisé en ce que ledit premier élément est réalisé dans un matériau transparent et en ce que ledit tribomètre comprend en outre : - des moyens (48, 50) d'éclairage de ladite interface à travers ledit matériau transparent, et - des moyens (54) de capture d'images de ladite interface à travers ledit matériau transparent, et de traitement desdites images. 2. Tribomètre (20) selon la revendication 1, dans lequel ledit premier matériau est un verre. 3. Tribomètre (20) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit second matériau est un matériau composite. 4. Tribomètre (20) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit second élément est une éprouvette (32) comportant au moins une portion de contact sensiblement sphérique. 5. Tribomètre (20) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de sollicitation dynamique comprennent un premier actionneur (44) pour l'application d'une force (P) dans une direction (Z) sensiblement perpendiculaire à ladite interface (F), et de préférence sensiblement verticale. 3038721 12 6. Tribomètre (20) selon la revendication 5, dans lequel lesdits moyens de sollicitation dynamique comprennent un second actionneur (34) pour l'application d'une force (Q) dans une direction (X) sensiblement parallèle ou tangentielle à ladite interface (F), et de préférence sensiblement horizontale, et de préférence pour 5 l'application d'un moment (M) suivant ladite direction (Z) sensiblement perpendiculaire à ladite interface (F). 7. Tribomètre (20) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de détection comprennent un unique capteur de forces (42) apte à mesurer des forces suivants trois composantes (X, Y, Z) et les trois moments correspondants. 10 8. Tribomètre (20) selon l'ensemble des revendications 6 et 7, dans lequel le capteur de forces (42) est intercalé entre ledit second élément (32) ou ses moyens de support (40), et ledit second actionneur (30). 9. Tribomètre (20) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de capture et de traitement d'images comprennent au moins une caméra (54) 15 et des moyens informatiques configurés pour déterminer des champs de déplacements à ladite interface (F) et en déduire des champs de déformation. 10. Procédé de mesure de champs de déplacements à l'interface (F) de deux éléments, au moyen d'un tribomètre (20) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes consistant à : 20 - capturer des images avec lesdits moyens de capture d'images, - soumettre ladite interface de contact à des changements avec lesdits moyens de sollicitation, - identifier et suivre des positions de points de contact à ladite interface, au fur et à mesure des chargements, et 25 - analyser lesdites positions avec les moyens de traitement d'images de façon à déterminer les champs de déplacements à ladite interface.