Brevet FR3103267A1 — publié le 20210521

Dispositif de banc de flexion pédagogique, domaine de la mécanique et résistance des matériaux. L'invention concerne un dispositif permettant de déformer une poutre d'essai (15) selon deux type de cas : le cas de flexion encastrée et le cas de flexion trois points (Fig 2). Ce dispositif permet d'afficher simultanément deux informations numériques : la valeur de la masse appliquée, et la valeur de la déformation associée. Il est constitué d'un bâti en acier à l'intérieur duquel l'utilisateur fait tourner la manette (1). La rotation de cette manette d'effort tire le peson numérique (6) vers le haut, engendrant l'effort sur la poutre d'essais grâce au cylindre épaulé (12+13) qui la déforme. La règle mobile (17) de la jauge numérique (16), en contact avec ce cylindre, translate verticalement et affiche la déformation à chaque instant de la mesure. Les valeurs issues de cette expérience, seront utilisées et valideront le domaine de la théorie des poutres. Ce banc de flexion pédagogique destiné à un public scolaire, est accompagné d'un logiciel permettant de traiter les deux données observées afin d'analyser les caractéristiques d'une poutre et son matériau. Figure pour l'abrégé : Fig 2 Dispositif de banc de flexion pédagogique. La présente invention concerne un appareil de mesure d'une poutre soumise à des sollicitations de flexion. Ce dispositif permet la déformation d’une poutre d'essai en affichant simultanément, la valeur de la masse appliquée et la déformation correspondante. Un dispositif de banc de flexion classique selon l'état de la technique (Fig 1), se compose, de deux points d'appuis (27) sur lesquels repose une poutre d'essai (25), d'une masse suspendue (28), et d'un comparateur mécanique (26). Le procédé de déformation s'effectue en faisant reposer la poutre d'essai (25) sur deux points d'appuis (27), cette poutre se déforme sous l'effet d'une masse (28) suspendue à cette poutre. La déformation de la poutre, se mesure à l'aide d'un comparateur mécanique (26). A chaque mesure de déformation de la poutre correspond une masse différente. Ainsi, le nombre de possibilités de mesures est conditionné par un nombre fini de masses différentes, celles dont l'utilisateur dispose. Ce changement de masse créé une discontinuité à chaque mesure et la lecture de la déformation sur un comparateur, n'est pas chose aisée pour des utilisateurs novices. Ce type de dispositif ne traite qu'un seul cas de flexion : la flexion trois points (Fig 1). Il existe des dispositifs de déformation de poutres utilisant des jauges de déformation, mais cela implique de placer des extensomètres sur chacune des poutres à tester, puis traiter le signal électroniquement afin d'obtenir l’image de l’effort appliqué. Cette technique évoluée et complexe ne permet pas d’obtenir rapidement et simplement des valeurs d'effort et de déformation pour des utilisateurs non initiés, qui souhaitent tester leur propre poutre. La présente invention (Fig 2), a pour objet, un dispositif de mesure d'une poutre en flexion, qui a pour avantage d'appliquer une infinité de masses différentes et d'afficher simultanément la déformation correspondante, en s'affranchissant des manipulations liées aux changements de masses. La présente invention favorise ainsi la rapidité des prises de mesures et offre une multitude de possibilités de cas de flexion. La présente invention a l'avantage de pouvoir traiter deux cas de flexion : le cas de flexion trois points, mais aussi le cas de flexion en poutre encastrée (Fig 3). La présente invention a l'avantage d'afficher numériquement les mesures de déformation et de masses, en s'affranchissant de la lecture parfois difficile d'un comparateur mécanique au centième de millimètre pour un public non averti. La présente invention propose un dispositif permettant de déformer une poutre selon deux cas : Le cas de flexion trois points et le cas de flexion encastrée. Ce présent dispositif permet d’afficher simultanément la valeur numérique de la masse et de la déformation. Il est constitué d'un bâti en acier composé de deux tôles d'acier soudées et maintenues entre elles par six entretoises cylindriques serrées par douze vis. Pour le cas de l'essai en flexion trois points ; La poutre est positionnée sur deux appuis inférieurs réglables situés de part et d'autre de la masse appliquée. Une manette de création d'effort mise en rotation, entraîne la vis de manœuvre vers le haut. Cette vis de manœuvre fait translater la chape contenant un peson électronique vers le haut. Le peson électronique subissant une sollicitation de traction, affiche numériquement la masse appliquée sur son écran. Le peson tire verticalement l'élingue en acier liée à un cylindre épaulé, lui-même en contact avec la poutre. La poutre ainsi plaquée sur ses deux appuis supérieurs réglables, se déforme. Le dispositif, intègre une jauge de profondeur électronique équipée d'une règle mobile en contact avec le cylindre épaulé qui coulisse verticalement, provoquant la mesure de la déformation de la poutre. L'affichage numérique de cette valeur apparaît sur l'écran de la jauge de profondeur. Il est à noter que le cas de flexion trois point n’est pas forcément un cas de chargement symétrique, avec l’effort équidistant des points d’appuis, puisque ceux-ci sont réglables en les faisant coulisser horizontalement dans la rainure dentelée. Pour le cas de l'essai en flexion encastrée ; la poutre est maintenue d'un seul côté, à gauche, ou à droite de la masse appliquée en bout de poutre. Deux réglages préalables sont nécessaires afin d'obtenir une liaison encastrée rigide. Les vis du bâti doivent être légèrement desserrées. il convient de retourner le dispositif, manette disposée vers le bas afin que la poutre repose sur ses deux appuis supérieurs réglables. Le premier réglage consiste à faire coulisser horizontalement dans la rainure dentelée, le point d'appui supérieur en fonction de la longueur de porte à faux souhaitée. Le deuxième réglage consiste à faire coulisser verticalement le point d'appuis inférieur vers le bas dans deux petites rainures jusqu'au contact avec la poutre afin d’éliminer les potentiels jeux présents entre les appuis et la poutre. Une fois ces réglages effectués et les vis du bâti resserrées, le dispositif peut être retourné à l'endroit. Le processus de création de l'effort, jusqu'à la déformation de la poutre est identique au cas de flexion trois points cité précédemment. L'avantage de ce dispositif est qu'il affiche numériquement et simultanément la masse appliquée et la déformation correspondante, au centième de millimètre. Il est aisé d'obtenir rapidement et précisément, un grand nombre de mesures différentes pour un grand nombre de cas de flexion différents, à portées variables. : Vue en plan, schéma de principe d'un dispositif classique. : Vue en perspective, dispositif configuré en flexion trois points. : Vue en perspective, représentant l’élingue 14 seule. : Vue en perspective, dispositif configuré en flexion 3 points sans bâti. : Vue en perspective, représentant le cylindre épaulé et son élingue. : Vue en perspective, dispositif configuré en flexion encastrée. : Vue en perspective, dispositif configuré en flexion encastrée sans bâti. : Vue en plan de face, dispositif configuré en flexion trois points. : Vue en plan de côté, dispositif configuré en flexion trois points. : Vue en plan de côté, dispositif de l'invention sans son bâti. Description détaillée La rotation de la manette (1) créant l'effort, entraîne en translation verticale, vers le haut, la vis de manœuvre (4). Cette vis de manœuvre est guidée en translation par un palier lisse (2) en plastique, lui-même monté serré dans le bâti (8). La tête de la vis (4) de manœuvre soulève une chape pliée (5) en acier, clipsée sur les 2 tétons du peson électronique (6). Cette translation verticale comprime un ressort de rappel (3) (Fig 2). Deux vis de guidage (7) horizontales sont fixées de part et d'autre du peson. Cette chape (5) qui translate verticalement, entraîne le peson (6) solidaire de ses deux vis de guidage (7) qui coulisse dans deux lumières verticales du bâti (22), empêchant sa rotation. Le peson est lié à un maillon (20) (fig 4) qui permet au peson de ne pas vriller pendant l'effort. Le peson tire vers le haut une élingue (14) (Fig 3) liée à un cylindre épaulé (Fig 5), sur lequel repose la poutre d'essai (15). Le cylindre épaulé est constitué d'une entretoise cylindrique (12) taraudée dans laquelle sont vissées de chaque côté, deux vis sans têtes (13). Cette élingue en acier (14) possède deux boucles à ses extrémités dans lesquelles viennent se loger les deux vis (13) du cylindre épaulé (Fig.5). Les deux petits plans de l'épaulement permet au cylindre de rester horizontal durant la traction verticale. Le peson utilisé est dépourvu de sa chape originale. Ce peson est clipsé en liaison pivot dans la chape pliée (5) visible sur le plan (Fig 4) et (Fig 10). La plage de mesure des masses est de zéro kilogramme à quarante kilogrammes avec une précision au centième de kilogramme numériquement. La poutre d'essai, en contact avec le cylindre épaulé se soulève, et vient en contact avec deux d'appuis réglables (11) supérieurs. Les appuis réglables sont des entretoises cylindriques taraudées, dans lesquelles sont vissées des vis (10) liant le bâti (8) avec une rondelle en plastique. Le cylindre épaulé (Fig 5) coulisse verticalement dans deux lumières (23) du bâti, empêchant ainsi sa rotation autour d'un axe vertical (Fig.2). Ainsi, le déplacement vertical du cylindre épaulé vers le haut, correspond à la déformation de la poutre d'essai. La règle coulissante (17), élément mobile de la jauge de profondeur numérique (16), est en contact avec le cylindre épaulé. Ainsi, le déplacement vertical du cylindre épaulé vers le haut, déplace la règle (17) et permet l'affichage de la déformation de la poutre sur la jauge de profondeur (16). Le placement de cette règle au plus proche de la poutre, permet de s'affranchir de l'ensemble des déformations des pièces citées précédemment. La plage de mesure des déformations de la jauge est : de zéro millimètres à trente millimètres avec une précision affichée au centième de millimètre numériquement sur un écran. Cette jauge de profondeur numérique est un dispositif industriel fixé par l'intermédiaire de quatre vis auto taraudeuses (19) (Fig 9), et de quatre rondelles dans le bâti. L'ensemble du dispositif est maintenu dans un bâti en acier thermo laqué (8) d'épaisseur trois millimètres dont les deux flans sont pliés, soudés, et maintenus par six entretoises taraudées, douze vis têtes bombées (10) et rondelles plastiques (9), créant un espace de soixante millimètre de largeur sur l'ensemble du bâti. Des rainures horizontales dentelées (21) visibles fig.2 sont poinçonnées dans le bâti afin de prédéfinir un nombre de positions des points d'appuis supérieurs réglables (11) tous les six millimètres et vingt-cinq centièmes horizontalement. La portée de la poutre est donc variable en translatant ces points d'appuis (11). Des petites rainures verticales autorisent le réglage vertical des appuis inférieurs (18) pour s'adapter à l'épaisseur de la poutre lors du cas de flexion encastrée (fig.6). Lorsque l'utilisateur a fini ses mesures expérimentales, il tourne la manette (1) dans le sens antihoraire, provoquant la détente du ressort de rappel (3) vers le bas, puis la descente du peson dont les deux vis de guidage (7) appuis sur la règle (17), la ramenant vers le bas. L’élingue est détendue, la poutre d'essais n'est plus soumise à un chargement vertical. Pour le cas de l'essai en flexion encastrée ; Deux réglages préalables sont nécessaires afin d'obtenir une liaison encastrée rigide (fig.7). Les vis du bâti (10) doivent être légèrement desserrées. Il convient de retourner le dispositif, manette disposée vers le bas afin que la poutre repose sur ses deux appuis supérieurs réglables (11). Le premier réglage consiste à faire coulisser horizontalement dans la rainure dentelée (21), le point d'appui supérieur (11) en fonction de la longueur du porte à faux souhaité visible (fig.7). Le deuxième réglage consiste à faire coulisser verticalement le point d'appuis inférieur (18) vers le bas dans les rainures (24), jusqu'au contact avec la poutre afin d'éliminer les potentiels jeux présents entre les appuis (18), (11), et la poutre (15). Une fois ces réglages effectués et les vis du bâti (10) resserrées, le dispositif peut être retourné à l'endroit. La partie de la poutre comprise entre les appuis inférieurs (11) et supérieurs (18) est considérée comme indéformable lors de cet essai (fig.7). La partie de la poutre qui se déforme se situe entre l'appui (18) et l'effort appliqué, situé au niveau de l'entretoise (11). Ce dispositif présenté ici, est un banc de flexion mécanique destiné principalement à un public scolaire. Il permet de manipuler des poutres d'une quarantaine de centimètres en flexion, et d'aborder les notions de résistances de matériaux, principalement la théorie des poutres. Ce banc de flexion pédagogique est accompagné d'un logiciel permettant de traiter les deux données numériques observées simultanément : la déformation et la masse. Ce logiciel permet de déduire le module d'élasticité d'une poutre, la contrainte en tout point de la poutre, la flèche théorique comparée à la flèche réellement observée, le moment quadratique de la poutre, le moment quadratique par le théorème de Huygens, le moment de flexion, la déformée d'une poutre en faisant varier la nature du matériaux. Ce logiciel de calcul basé sur la théorie des poutres, est développé par le propriétaire déposant. Dispositif de déformation de poutre (15) en flexion trois points et encastrée, caractérisé en ce qu'il comporte, une manette de rotation (1) créant un effort vertical, dont la masse est mesurée et affichée par un peson électronique (6) qui tire une élingue (14) verticalement liée à un cylindre épaulé (12 + 13) qui déforme une poutre d'essai (15) dont la déformation mesurée est affichée par une jauge de profondeur numérique (16). La diversité des cas de flexion, est réalisée par la mobilité des cylindres d’appuis (11) et (18) coulissant dans des rainures horizontales (21) et verticales (24). Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’utilisation d’un peson numérique (6) et son maillon (20), mesure la masse appliquée sur ce type de dispositif. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l’utilisation d’une jauge numérique de profondeur (16), mesure la déformation de la poutre (15) sur ce type dispositif. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'élingue (14) en acier, terminée par deux boucles en acier, à l'intérieur desquelles, le cylindre épaulé, constitué d'une entretoise (12) et de deux vis (13), transmet l'effort vertical à la poutre (15). Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le cylindre épaulé transmettant l’effort à la poutre (15) est guidé en translation dans le bâti (8) par deux lumières (23). Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les appuis réglables inférieurs (11) et supérieurs (18) formés par des entretoises taraudées, coulissent dans des rainures horizontales dentelées (21) et verticales (24) qui permettent de placer la poutre selon différents cas de flexion.