Brevet FR3152586A1 — publié le 20250307

Procédé de détermination de l’endommagement d’une pièce, ledit procédé comportant les étapes : a) mesurer (101) les déplacements de ladite pièce selon les directions x, y, z sur une zone déterminée, par stéréo-corrélation d’images, b) mesurer (102) les contraintes de la pièce selon lesdites directions, c) calculer (103) les déformations selon lesdites directions, avec les mesures de l’étape a), d) calculer (104) les coefficients de Poisson avec les déformations de l’étape c) ; e) calculer (105) les modules d’élasticité selon lesdites directions avec les résultats des étapes b), c) et d), f) générer (106) une cartographie desdits modules ; puis g 1 ) soit (107 1 ) déterminer si au moins un desdits modules calculés à l’étape f) est supérieur à un module référence, g 2 ) soit (107 2 ), après avoir répété les étapes a) à f) une fois minimum, comparer si la cartographie dernièrement obtenue présente une discontinuité par rapport à la cartographie précédemment obtenue. Figure pour l’abrégé : Figure 3 PROCÉDÉ DE DÉTERMINATION DE L’ENDOMMAGEMENT D’UNE PIÈCE SOUMISE A UNE SOLLICITATION MÉCANIQUE À PARTIR DE MESURES DE DÉPLACEMENTS PAR STÉRÉO-CORRÉLATION D’IMAGES NUMÉRIQUES ET DE MESURES DE CONTRAINTES ET DISPOSITIF ASSOCIÉ Domaine technique de l’invention La présente invention concerne un procédé pour déterminer l’endommagement d’une pièce soumise à une sollicitation mécanique. Le procédé fait intervenir des mesures de déplacements de la pièce par stéréo-corrélation d’images numériques et des mesures de contraintes sur la pièce. L’invention concerne également un dispositif pour mettre en œuvre le procédé. Arrière-plan technologique La stéréo-corrélation d’images numériques est une technique connue qui permet une mesure de champs de déplacements d’une pièce. C’est une technique de contrôle surfacique non-destructive. Pour cela, on applique sur la surface de la pièce dont on souhaite déterminer le champ de déplacement sous l’effet d’une sollicitation mécanique, un mouchetis noir et blanc afin de fournir à la surface une texture suffisamment aléatoire. On peut ainsi faire un suivi par des caméras. Ces caméras sont généralement munies de capteurs CCD (de l’anglais charge coupled device ) pour faire des suivis en dynamique avec une fréquence d’acquisition dépendant du phénomène étudié. Il peut s’agir de quelques images par seconde à plusieurs milliers d’images par seconde pour des cas à dynamique rapide ou cyclique. A partir du champ de déplacement, il est alors possible d’obtenir les déformations. Cette technique consiste en effet à mettre en correspondance deux images d’une surface de la pièce observée à deux états distincts de déformation, un état dit de référence et un état dit déformé. Chaque pixel de la première image est comparé au pixel correspondant sur la seconde image ce qui permet d’obtenir les déformations associées. La technique de stéréo-corrélation d’images numériques peut être utilisée lors d’un essai mécanique de type statique. Un essai statique peut être un essai de caractérisation des propriétés des matériaux, une vérification de la qualité du matériau, ou encore un essai de validation de la tenue mécanique de pièces mécaniques. Lors de ces essais mécaniques statiques, il est nécessaire d’arriver à statuer sur les conditions d’apparition d’un endommagement. On entend par « endommagement » toute forme de dégradation des propriétés des matériaux pouvant être liée à l’apparition de microfissures, de délaminage aux différentes échelles du matériau ou dans le cas d’une pièce en matériau composite de décohésions de fibres vis-à-vis de la matrice (résine) ou encore une rupture de fibres, par exemple au niveau d’une fibre, d’un toron, d’un plan de tissage, de plusieurs plans de tissage ou du matériau entier. Dans le cas d’un matériau métallique, il peut s’agir de microfissures entre les joints de grains ou de fissures au sein d’un monocristal par exemple. Classiquement, les déformations obtenues par stéréo-corrélation d’images numériques sont ensuite analysées dans le sens de la sollicitation mécanique afin d’en déduire des valeurs limites de déformations à la surface de la pièce. Cependant, les résultats aujourd’hui obtenus sont soumis à interprétation car aucun indicateur ne permet de différencier la fin d’une zone dite « saine » de la pièce de la transition vers un état « endommagé ». La technique de stéréo-corrélation d’images numériques peut aussi être utilisée lors d’un essai mécanique de dynamique. Un essai dynamique est typiquement un essai de fatigue ou d’impact. Lors de ces essais dynamiques, il est également nécessaire d’arriver à statuer sur les conditions d’apparition d’un endommagement. Par exemple, lors d’un essai de fatigue, la stéréo-corrélation d’images numériques est employée pour estimer la limite de Wöhler. L’approche consiste alors à estimer l’aire de l’hystérésis en fatigue lors d’un cycle dynamique. On connaît aussi un certain nombre de techniques pour mesurer les contraintes appliquées à une pièce soumise à une sollicitation mécanique, qui peuvent être employées lors d’un essai statique ou dynamique. On peut par exemple citer l’emploi de jauges de contraintes. Ces jauges sont placées à la surface de la pièce dont on souhaite suivre le comportement, notamment pour en déduire des valeurs limites de contraintes à la surface de la pièce (statique) ou de sollicitations dynamiques (limite de Wöhler en fatigue). Là également, les résultats obtenus sont soumis à interprétation. Aussi, un objectif de l’invention est de proposer un procédé permettant une détection améliorée d’un endommagement d’une pièce soumise à une sollicitation mécanique. Il est ainsi proposé un procédé de détermination de l’endommagement d’une pièce soumise à une sollicitation mécanique, ledit procédé comportant les étapes suivantes : a) mesurer les déplacements de ladite pièce selon les différentes directions x, y, z de l’espace sur une zone déterminée de celle-ci, par stéréo-corrélation d’images, b) mesurer les contraintes imposées à la pièce selon les différentes directions x, y, z de l’espace sur ladite zone déterminée et, mettre en œuvre par ordinateur les étapes suivantes : c) calculer les déformations de ladite pièce selon les différentes directions de l’espace x, y, z sur ladite zone déterminée, à partir des déplacements mesurés à l’étape a), d) calculer les coefficients de Poisson de la pièce sur ladite zone déterminée à partir des déformations calculées à l’étape c) ; e) calculer les modules d’élasticité de la pièce selon les différentes directions de l’espace x, y, z sur ladite zone déterminée à partir des contraintes mesurées à l’étape b), des déformations calculées à l’étape c) et des coefficients de Poisson calculés à l’étape d), f) générer une cartographie des différents modules d’élasticité sur l’ensemble de ladite zone déterminée ; puis g 1 ) soit déterminer, pour savoir si ladite pièce est endommagée, si l’un au moins des modules d’élasticité calculés à l’étape f) est supérieur à un module d’élasticité de référence selon la même direction, g 2 ) soit, après avoir répété les étapes a) à f) au moins une fois, comparer, pour savoir si ladite pièce est endommagée, si la cartographie dernièrement obtenue des différents modules d’élasticité sur l’ensemble de ladite zone déterminée présente une discontinuité par rapport à la cartographie précédemment obtenue Ainsi, grâce au procédé selon l’invention, un endommagement résultant d’une sollicitation mécanique sur une pièce peut être étudié sur la base d’un critère défini sur l’ensemble de la zone de mesure considérée, en l’occurrence un critère portant sur un module d’élasticité selon une direction donnée. Le procédé selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des étapes ci-dessous, prises isolément les unes avec les autres ou en combinaison les unes avec les autres : on effectue une pluralité de mesures successives selon les étapes a) et b) pour définir un essai de fatigue dynamique ; on effectue une pluralité de mesures successives selon les étapes a) et b) pour définir un essai d’impact dynamique ; les étapes c) à f) et g 1 ) et/ou g 2 ) sont effectuées à partir d’une sélection de mesures parmi celles qui ont été obtenues aux étapes a) et b) ; la pièce est une pièce composite comportant une résine dans laquelle sont noyées des fibres la pièce est une pièce de turbomachine, en particulier un carter de turbomachine et de préférence un carter de soufflante de turbomachine. L’invention concerne également un dispositif de mise en œuvre d’un procédé selon l’invention, comprenant : - des moyens pour mesurer des déplacements de la pièce par stéréo-corrélation d’images sur ladite zone déterminée, - des moyens pour mesurer les contraintes imposées à la pièce sur ladite zone déterminée, et - des moyens pour mettre en œuvre par ordinateur au moins les étapes c) à f) et g 1 ) et/ou g 2 ). L’invention concerne également un aéronef comportant au moins un dispositif selon l’invention. Brève description des figures L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : La FIG. 1 est une vue schématique d’un banc d’essai comprenant une pièce mécanique, des caméras et un dispositif de mise en œuvre du procédé de détermination d’un endommagement d’une pièce selon l’invention ; La FIG. 2 représente plus précisément la surface de la pièce mécanique, en particulier une pièce mécanique en matériau composite tissé. La FIG. 3 est une vue schématique représentant les différentes étapes du procédé selon l’invention. Description détaillée de l’invention La FIG. 1 représente un banc d’essai D d’une pièce mécanique 10 comportant des caméras C pour l’acquisition d’images numériques par stéréo-corrélation (permet la mesure de déplacements), des jauges de contrainte JC pour mesurer des contraintes, et un dispositif 20 muni de moyens informatiques pour mettre en œuvre le procédé de détermination d’un endommagement de la pièce mécanique tel que décrit dans ce qui suit. Les jauges de contrainte JC peuvent être fixées pour assurer une validation et/ou comparaison des données obtenues en stéréo-corrélation. Dans le cas d’un matériau composite, tel qu’abordé ci-après, ces jauges JC peuvent être positionnées sur un ou plusieurs axes donnés de sorte à mesurer les propriétés mécaniques directement dans les directions des fibres du matériau composite. Un mouchetis M est, en outre, apposé à la surface de la pièce mécanique 10 pour faciliter le suivi par les caméras C. Les caméras C pour l’acquisition des images est réalisée grâce à des caméras à capteur CCD dont la fréquence d’acquisition est de quelques images par seconde. La zone d’acquisition est éclairée par des lampes à diodes électroluminescentes. En outre, l’éclairage peut être réalisé de manière continue ou en synchronisation avec les caméras C. Dans ce qui suit, les exemples de réalisation s’intéressent plus particulièrement à des pièces en matériaux composites, et notamment à des pièces composites tissés 3D. Les pièces composites tissées 3D sont typiquement employées pour réaliser certaines pièces de turbomachine, en particulier les carters de turbomachine et plus particulièrement les carters de soufflante de turbomachine. Toutefois, ces pièces peuvent aussi être des pièces en matériaux composites tissés 2D, des pièces composites avec des fibres unidirectionnelles ou encore des pièces métalliques. La FIG. 2 présente une pièce 10 en matériau composite tissé 3D. Le matériau composite comporte un tissu formé de fibres de trame 11 et de fibres de chaîne 12 tissées les unes avec les autres sur un plan P de tissage, ou plusieurs plans de tissage superposés selon une direction d’épaisseur. Les fibres de trame 11 et de chaîne 12 peuvent par exemple être des fibres de carbone, des fibres de verre ou des fibres de kevlar®, c’est-à-dire le poly(p-phénylènetéréphtalamide). D’autres types de fibres peuvent être envisagées. En variante, les fibres de trame 11 et de chaîne 12 peuvent être une combinaison d’au moins deux fibres choisies parmi les fibres de carbone, les fibres de verre, les fibres de kevlar® ou autres. Ces fibres sont noyées dans une matrice 13 qui comprend un ou plusieurs polymères aptes à se rigidifier de sorte à former la pièce mécanique 10 finale. La matrice peut par exemple être choisie parmi une résine thermodurcissable ou une résine thermoplastique. Des structures tissées plus complexes peuvent aussi être utilisées lors de ces essais. Par exemple, les fibres de chaîne 12 ne sont plus limitées à un plan P de tissage mais traversent les plans du matériau. En pratique, la pièce 10 peut être une pièce mécanique d’un aéronef. En particulier, cette pièce peut être un carter de turbomachine et par exemple un carter d’une soufflante de turbomachine. Lors d’un essai mécanique, la pièce mécanique 10 est soumise à des contraintes qui peuvent entraîner des déformations de la pièce 10, voire des endommagements. Le procédé selon l’invention vise donc à déterminer l’endommagement d’une pièce soumise à une sollicitation mécanique, ledit procédé comportant les étapes suivantes : a) mesurer les déplacements de ladite pièce selon les différentes directions x, y, z de l’espace sur une zone déterminée de celle-ci, par stéréo-corrélation d’images, b) mesurer les contraintes imposées à la pièce selon les différentes directions x, y, z de l’espace sur ladite zone déterminée et, mettre en œuvre par ordinateur les étapes suivantes : c) calculer les déformations de ladite pièce selon les différentes directions de l’espace x, y, z sur ladite zone déterminée, à partir des déplacements mesurés à l’étape a), d) calculer les coefficients de Poisson de la pièce sur ladite zone déterminée à partir des déformations calculées à l’étape c) ; e) calculer les modules d’élasticité de la pièce selon les différentes directions de l’espace x, y, z sur ladite zone déterminée à partir des contraintes mesurées à l’étape b), des déformations calculées à l’étape c) et des coefficients de Poisson calculés à l’étape d), f) générer une cartographie des différents modules d’élasticité sur l’ensemble de ladite zone déterminée ; puis g 1 ) soit déterminer, pour savoir si ladite pièce est endommagée, si l’un au moins des modules d’élasticité calculés à l’étape f) est supérieur à un module d’élasticité de référence selon la même direction, g 2 ) soit, après avoir répété les étapes a) à f) au moins une fois, comparer, pour savoir si ladite pièce est endommagée, si la cartographie dernièrement obtenue des différents modules d’élasticité sur l’ensemble de ladite zone déterminée présente une discontinuité par rapport à la cartographie précédemment obtenue. Les différentes étapes de ce procédé 100 sont schématisées sur la FIG. 3 . L’étape a), référencée 101 sur la FIG. 3 , permet d’obtenir les déplacements par stéréo-corrélation d’images numériques. Cette technique est bien connue de l’homme du métier. Sur le type de pièce susceptible d’être considéré dans les essais (plaque), on pourra prendre en considération U x (le déplacement selon l’axe x) et Uy (le déplacement selon l’axe y). Ce n’est qu’un exemple, mais que nous conserverons pour illustrer les différentes calculs susceptibles d’être opérés. L’étape b), référencée 102 sur la FIG. 3 , peut être effectuée au moyen de jauges de contraintes. Selon notre exemple, on pourra mesurer σ xx (contrainte définie selon l’axe x), σ yy (contrainte définie selon l’axe y) et τ xy (contrainte de cisaillement définie selon l’axe z). On comprend que l’étape 102 est effectuée en même temps que l’étape 101 afin d’avoir des données cohérentes. En variante, l’étape b) peut être effectuée par une méthode de contrôle de déplacement comme la shearographie de sorte à remonter aux déformations. La shearographie est une technique optique de mesure d’un champ de déformation et est encore appelée « interférométrie différentielle de tavelure » ou « cisaillographie ». Toutes les étapes du procédé décrit ci-dessus qui suivent sont mises en œuvre par ordinateur. L’étape c) vise à calculer les déformations à partir des déplacements mesurés à l’étape a). Ceci est obtenu, de manière générale, avec la formule suivante : où ε ij avec i, j des nombres entiers tels que 1 ≤ i ≤ 3 et 1 ≤ j ≤ 3 selon les trois directions (orthogonales) x, y, z de l’espace sont les déformations (ou plus précisément les coefficients du tenseur de déformations) et U i ou U j les champs de déplacements associés qui ont été mesurés à l’étape a). Selon notre exemple, sur le type de pièce susceptible d’être considéré dans les essais (plaque), le tenseur de déformations pourra se limiter à 3 composantes, à savoir : ε xx (déformation selon l’axe x), ε yy (déformation selon l’axe y) et γ xy (cisaillement défini selon l’axe z). Ces calculs peuvent être effectués par le logiciel fourni avec les moyens pour mettre en œuvre l’essai ou bien être complètement effectués (recalcul) par un logiciel apte à mettre en œuvre également toutes les étapes du procédé selon l’invention. A l’étape d), référencée 104 sur la FIG. 3 , on calcule les coefficients de Poisson associés. Ceci peut être obtenu de la manière suivante, toujours selon notre exemple : Pour déterminer les modules d’élasticité à l’étape e), référencée 105 sur la FIG. 3 , en l’occurrence dans notre exemple, E x (module d’élasticité défini selon l’axe x), E y (module d’élasticité défini selon l’axe y) et G xy (module de cisaillement défini selon l’axe z), on pourra utiliser le lien entre le tenseur des contraintes, celui des déformations et le tenseur des raideurs (ou son inverse, le tenseur des souplesses), par exemple de la manière suivante : Les modules d’élasticité ainsi obtenus à l’issue de l’étape e) sont des valeurs disponibles pour les différentes mailles d’un maillage ou quadrillage, réalisé sur la surface de la pièce. À titre d’exemple, le maillage a un ordre de grandeur de 5 centimètres sur 5 centimètres mais peut varier selon le besoin. Ce maillage représente l’échelle de l’analyse mise en place. L’étape f) de cartographie, référencée 106 sur la FIG. 3 , vise donc à rassembler toutes les informations alors disponibles sur l’ensemble de la zone dite déterminée de la pièce, i.e. de la zone sur laquelle des mesures sont effectuées. Cette cartographie est analysée dans son ensemble avec une identification des minima et des maxima. Chaque maximum et/ou minimum peut également être analysé pour vérifier s’il s’agit d’un point extrême local ou si toute une zone est sollicitée. Il s’agit ensuite d’analyser les données disponibles sur la cartographie des différents modules d’élasticité pour conclure à un éventuel endommagement de la pièce. Selon une première variante définie par l’étape g 1 ), référencée 107 1 sur la FIG. 3 ,on effectue une comparaison des valeurs cartographiées, pour une direction donnée, à un module d’élasticité de référence selon la même direction. Si la valeur cartographiée est supérieure à la valeur du module d’élasticité de référence, alors on peut conclure à un endommagement. Par « référence », on entend la valeur obtenue pour une pièce contrôlée au préalable et dont l’absence de défaut est connue. Autrement dit, il s’agit d’une pièce qualifiée de nominale dont il faut s’approcher au plus près en termes de résultats. La « référence » peut également être issue d’une base de données des propriétés des matériaux. Selon une deuxième variante définie par l’étape g 2 ), référencée 107 2 sur la FIG. 3 , on peut envisager d’effectuer un suivi dans le temps des différentes cartographies. On peut alors comparer la dernière cartographie obtenue à la précédente et faire une comparaison entre les deux. Une telle comparaison permet alors de voir si les modules d’élasticité évolue continûment/régulièrement ou si, au contraire, on constate une discontinuité dans les valeurs. Une telle discontinuités est alors la signature d’une fissuration locale, à savoir d’une forme d’endommagement de la pièce. Pour mettre en œuvre cette variante, on comprend qu’il convient d’avoir au moins deux cartographies et donc d’avoir répété les étapes a) à f) au moins une fois. Quelle que soit la variante envisagée (étape g 1 ) ou étape g 2 )), le fait de faire une cartographie à l’étape f) permet d’avoir un indicateur, selon une direction donnée, L’invention propose aussi un dispositif D de mise en œuvre du procédé selon l’invention, comprenant : - des moyens C pour mesurer des déplacements de la pièce par stéréo-corrélation d’images sur ladite zone déterminée, - des moyens JC pour mesurer les contraintes imposées à la pièce sur ladite zone déterminée, et - des moyens 20 pour mettre en œuvre par ordinateur au moins les étapes c) à f) et g 1 ) et/ou g 2 ). L’invention propose également un aéronef comportant au moins un dispositif D de mise en œuvre du procédé 100, tel que décrit précédemment. Le dispositif D est alors monté sur au moins une pièce à examiner dans l’aéronef. De la sorte, la santé matière et/ou les endommagements de la ou les pièces à examiner peuvent être examinées directement durant un vol de l’aéronef afin de détecter, dès le premier instant de leur apparition éventuelle, des déformations, fissurations et/ou endommagements et de prendre des décisions appropriées. Procédé (100) de détermination de l’endommagement d’une pièce soumise à une sollicitation mécanique, ledit procédé comportant les étapes suivantes : a) mesurer (101) les déplacements de ladite pièce selon les différentes directions x, y, z de l’espace sur une zone déterminée de celle-ci, par stéréo-corrélation d’images, b) mesurer (102) les contraintes imposées à la pièce selon les différentes directions x, y, z de l’espace sur ladite zone déterminée et, mettre en œuvre par ordinateur les étapes suivantes : c) calculer (103) les déformations de ladite pièce selon les différentes directions de l’espace x, y, z sur ladite zone déterminée, à partir des déplacements mesurés à l’étape a), d) calculer (104) les coefficients de Poisson de la pièce sur ladite zone déterminée à partir des déformations calculées à l’étape c) ; e) calculer (105) les modules d’élasticité de la pièce selon les différentes directions de l’espace x, y, z sur ladite zone déterminée à partir des contraintes mesurées à l’étape b), des déformations calculées à l’étape c) et des coefficients de Poisson calculés à l’étape d), f) générer (106) une cartographie des différents modules d’élasticité sur l’ensemble de ladite zone déterminée ; puis g 1 ) soit (107 1 ) déterminer, pour savoir si ladite pièce est endommagée, si l’un au moins des modules d’élasticité calculés à l’étape f) est supérieur à un module d’élasticité de référence selon la même direction, g 2 ) soit (107 2 ), après avoir répété les étapes a) à f) au moins une fois, comparer, pour savoir si ladite pièce est endommagée, si la cartographie dernièrement obtenue des différents modules d’élasticité sur l’ensemble de ladite zone déterminée présente une discontinuité par rapport à la cartographie précédemment obtenue. Procédé (100) selon la revendication 1, dans lequel on effectue une pluralité de mesures successives selon les étapes a) et b) pour définir un essai de fatigue dynamique. Procédé (100) selon la revendication 1, dans lequel on effectue une pluralité de mesures successives selon les étapes a) et b) pour définir un essai d’impact dynamique. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications 2 ou 3, dans lequel les étapes c) à f) et g 1 ) et/ou g 2 ) sont effectuées à partir d’une sélection de mesures parmi celles qui ont été obtenues aux étapes a) et b). Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce (10) est une pièce composite comportant une résine dans laquelle sont noyées des fibres. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la pièce (10) est une pièce de turbomachine, en particulier un carter de turbomachine et de préférence un carter de soufflante de turbomachine. Dispositif (D) de mise en œuvre d’un procédé (100) selon l’une des revendications précédentes, comprenant : - des moyens (C) pour mesurer des déplacements de la pièce par stéréo-corrélation d’images sur ladite zone déterminée, - des moyens (JC) pour mesurer les contraintes imposées à la pièce sur ladite zone déterminée, et - des moyens (20) pour mettre en œuvre par ordinateur au moins les étapes c) à f) et g 1 ) et/ou g 2 ). Aéronef comportant au moins un dispositif (D) selon la revendication 7.