Brevet FR3159693A1 — publié le 20250829

Procédé de détermination d’un endommagement d’une pièce (10) mécanique soumise à une sollicitation mécanique durant un essai mécanique, ledit procédé comportant les étapes suivantes : a) déterminer des données de déplacements de ladite pièce selon les différentes directions x, y, z de l’espace sur une zone déterminée de la pièce, par stéréo-corrélation d’images ; puis, les étapes suivantes étant mises en œuvre par ordinateur, b) réaliser une interpolation des données de déplacements déterminées à l’étape a) ; c) calculer déformations de la pièce sur ladite zone déterminée à partir de l’interpolation réalisée à l’étape b) ; et d) comparer lesdites déformations calculées à l’étape c) avec des éléments de référence pour déterminer si ladite pièce est endommagée. Figure pour l’abrégé : Figure 1 PROCÉDÉ DE DÉTERMINATION D’UN ENDOMMAGEMENT D’UNE PIÈCE MÉCANIQUE À PARTIR DE DÉPLACEMENTS OBTENUS PAR STÉRÉO-CORRÉLATION D’IMAGES NUMÉRIQUES ET DISPOSITIF ASSOCIÉ Domaine technique de l’invention La présente invention concerne un procédé de détermination d’un endommagement d’une pièce mécanique soumise à une sollicitation mécanique durant un essai mécanique, à partir de données obtenues par stéréo-corrélation d’images numériques. L’invention concerne également un dispositif permettant de mettre en œuvre ce procédé. Arrière-plan technologique La stéréo-corrélation d’images numériques est une technique connue qui permet une mesure de champs cinématiques comme les champs de déplacements ou de déformations. Cette technique consiste à mettre en correspondance deux images numériques d’une surface 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 et leur ressemblance mesurée. C’est une technique de contrôle surfacique non-destructive. Lors de la réalisation d’essais mécaniques, il est connu d’appliquer sur la surface de pièce étudiée un mouchetis noir et blanc afin de fournir à la surface une texture suffisamment aléatoire et permettre le suivi par les caméras utilisées. Ces caméras sont généralement munies de capteurs CCD (de l’anglais charge coupled device ) dont la fréquence d’acquisition dépend des phénomènes étudiés. Il peut s’agir de quelques images par seconde à plusieurs milliers d’images par seconde pour des cas à dynamique rapide ou cyclique. La technique de stéréo-corrélation d’images numériques peut être utilisée lors d’un essai mécanique, par exemple statique ou dynamique, d’impact ou de fatigue. Cet essai mécanique vise une caractérisation des propriétés des matériaux ou une vérification de la qualité du matériau. La technique peut aussi être utilisée pour des essais de validation de la tenue mécanique de pièces mécaniques. Lors de ces essais mécaniques statiques ou dynamiques, 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’un matériau composite de décohésions de fibres vis-à-vis de la matrice 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, l’analyse des déformations dans le sens de la sollicitation mécanique est regardée afin d’en déduire des valeurs limites de déformations à la surface de la pièce mécanique. Cependant, les résultats obtenus sont soumis à interprétation car aucun indicateur ne permet de différencier la fin d’une zone dite saine des matériaux et la transition vers un état « endommagé ». De plus, même en sachant qu’un endommagement des matériaux de la pièce est présent, il est parfois difficile de clairement identifier la direction privilégiée de la sollicitation, que ce soit la direction des fibres pour un matériau composite ou que ce soit la striction d’un matériau métallique. Il est connu d’utiliser des techniques de contrôle non-destructif en thermographie infrarouge ou en corrélation d’images numériques pour estimer la limite d’endurance d’un matériau en réalisant une analyse de l’aire d’hystérésis en fatigue lors d’un cycle dynamique. Il est aussi connu d’identifier l’apparition d’un impact dynamique avec la thermographie infrarouge haute fréquence basée sur la mesure d’un champ thermique et avec la stéréo-corrélation d’images numériques. Aussi, un objectif de l’invention est de proposer un procédé amélioré de détermination d’un endommagement durant un essai mécanique. Il est donc proposé un procédé de détermination d’un endommagement d’une pièce mécanique soumise à une sollicitation mécanique, le procédé comportant les étapes suivantes : a) déterminer des données de déplacements de la pièce selon les différentes directions x, y, z de l’espace sur une zone déterminée de la pièce, par stéréo-corrélation d’images ; puis, les étapes suivantes étant mises en œuvre par ordinateur, b) réaliser une interpolation des données de déplacements déterminées à l’étape a) ; c) calculer des déformations de la pièce sur la zone déterminée à partir de l’interpolation réalisée à l’étape b) ; et d) comparer les déformations calculées à l’étape c) avec des éléments de référence pour déterminer si la pièce mécanique est endommagée. Ainsi, grâce au procédé selon l’invention, on assure une amélioration de l’étude d’un endommagement résultant d’une sollicitation mécanique sur une pièce mécanique. En effet, la détermination des déplacements par stéréo-corrélation d’images et le traitement qui s’ensuit permet un suivi simplifié des déformations, notamment grâce à l’interpolation des déplacements. Le procédé, selon l’invention, peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - à l’étape b), l’interpolation est faite par une courbe d’interpolation à une variable selon la direction x ou la direction y, ou faite par une surface d’interpolation à deux variables x, y ; - la courbe d’interpolation à une variable selon la direction x ou la direction y est obtenue par régression polynomiale d’ordre N ; - la surface d’interpolation à deux variables x, y est obtenue par une régression polynomiale d’ordre N ; - à l’étape c), sont calculées des déformations principales à partir d’un cercle de Mohr ; - à l’étape d), une analyse des moindres carrés est réalisée de sorte que pour un coefficient de détermination R² supérieur à 0,9 un non-endommagement de la pièce est déterminé et pour un coefficient de détermination R² inférieur à 0,9 un endommagement de la pièce est déterminé ; - à l’étape d), les sous-étapes suivantes sont réalisées : -- représenter, dans un repère, une distribution des déformations définies selon la direction y en fonction des déformations définies selon la direction x, -- déterminer une aire de la distribution des déformations représentées, -- déterminer une orientation préférentielle de la distribution des déformations représentées, et -- comparer l’aire de la distribution et/ou l’orientation préférentielle déterminées précédemment avec des éléments de référence pour déterminer si la pièce est endommagée ; - la pièce mécanique est une pièce d’un aéronef, en particulier un carter de turbomachine et de préférence un carter d’une soufflante de turbomachine ; - - l’essai mécanique est statique, de fatigue dynamique ou d’impact dynamique ; - - à l’étape b), l’interpolation est une interpolation par éléments finis. L’invention concerne également un dispositif de mise en œuvre d’un procédé de détermination d’un endommagement d’une pièce mécanique tel que décrit dans ce qui précède, comprenant : - des moyens pour mesurer des déplacements de la pièce mécanique par stéréo-corrélation d’images sur ladite zone déterminée, et - des moyens pour mettre en œuvre par ordinateur au moins les étapes b) à d). 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 représente une vue schématique d’un banc d’essai comprenant une pièce mécanique et un dispositif de mise en œuvre du procédé de détermination d’un endommagement d’une pièce mécanique, selon l’invention. La FIG. 2 représente une vue schématique d’une pièce mécanique, en particulier une pièce mécanique en matériau composite tissé. La FIG. 3 est un schéma-bloc du procédé de détermination d’un endommagement d’une pièce mécanique, selon l’invention. La FIG. 4 est une représentation dans un repère des déplacements de la pièce sur la zone déterminée selon les directions x, y et z. Description détaillée de l’invention La FIG. 1 représente un banc d’essai D d’une pièce mécanique 10 comportant, entre autres, des caméras C pour l’acquisition d’images numériques par stéréo-corrélation (permet la mesure de déplacements) et un dispositif 20 muni de moyens informatiques 20 pour mettre en œuvre le procédé de détermination d’un endommagement de la pièce mécanique tel que décrit dans ce qui suit. 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 sont 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 à des pièces mécaniques, en particulier en matériaux composites, et plus précisément composites tissés 3D. Toutefois, ces pièces mécaniques peuvent aussi être des pièces en matériaux composites tissés 2D, des pièces composites unidirectionnelles ou encore des pièces métalliques. La FIG. 2 présente une pièce mécanique 10 en matériau composite tissé 3D. Le matériau composite comporte des fibres de trames 11 et des fibres de chaînes 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 trames 11 et de chaînes 12 peuvent par exemple être de carbone, de verre ou un mélange des deux ou, de manière plus générale, d’autres types de fibres. 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 13 peut par exemple être choisie, de manière non limitative, parmi une résine thermodurcissable ou thermoplastique. Des structures tissées plus complexes peuvent aussi être utilisées lors de ces essais. Par exemple, les fibres de chaînes 12 ne sont plus limitées à un plan P de tissage mais traversent plusieurs 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 permet de déterminer l’endommagement d’une pièce 10 soumise à une sollicitation mécanique durant un essai mécanique, ce procédé comportant en outre les étapes suivantes : a) déterminer des déplacements de la pièce selon les différentes directions x, y et z de l’espace sur une zone déterminée de la pièce 10, par stéréo-corrélation d’images ; puis, les étapes suivantes étant mises en œuvre par ordinateur, b) réaliser une interpolation des données de déplacements déterminées à l’étape a) ; c) calculer des déformations de la pièce 10 sur la zone déterminée à partir de l’interpolation réalisée à l’étape b) ; et d) comparer les déformations calculées à l’étape c) avec des éléments de référence pour déterminer si la pièce est endommagée. Les différentes étapes du procédé 100 selon l’invention sont schématisées sur la FIG. 3 et détaillées ci-après. Le procédé 100 selon l’invention peut être utilisé pour différents types d’essais mécaniques. Ces essais peuvent être des essais mécaniques statiques, des essais de fatigue dynamique ou des essais d’impact dynamique. À l’étape a), référencée 102 sur la FIG. 3 , les déplacements de la pièce 10 selon les différentes directions x, y et z de l’espace sur une zone déterminée de la pièce 10 sont déterminées par stéréo-corrélation d’images. Ces directions sont orthogonales. Les déplacements peuvent être issus d’un logiciel ou bien directement mesurés. En pratique, ces mesures sont réalisées par des caméras C munies de capteurs CCD. Le choix de la zone à observer peut être laissé libre à l’opérateur. Après l’étape a), les données sont transmises à des moyens informatiques 20 aptes à mettre en œuvre les étapes suivantes. À l’étape b), référencée 104 sur la FIG. 3 , une interpolation des données de déplacements déterminées à l’étape a) est réalisée. Cette interpolation permet de traiter les données de déplacement. L’interpolation peut être faite par éléments finis à l’étape b). L’interpolation peut également être faite par une courbe d’interpolation à une variable selon la direction x ou la direction y. L’interpolation peut aussi être faire par une surface d’interpolation à deux variables x, y. La courbe d’interpolation à une variable selon la direction x ou la direction y peut être obtenue par régression polynomiale d’ordre N. Dans un tel cas, on comprend que le courbe d’interpolation s’apparente à une coupe selon un sens trame ou un sens chaîne. Autrement dit, cette coupe représente les déplacements selon la direction x ou y en fonction de la direction z. De même, la surface d’interpolation à deux variables x, y peut être obtenue par régression polynomiale d’ordre N. Dans un tel cas, la surface d’interpolation permet de prendre en considération l’ensemble de la zone étudiée. La FIG. 4 illustre un exemple de représentation 30 dans un repère des déplacements 32 de la pièce 10 sur une zone déterminée selon les directions x, y et z. Dans cet exemple de la FIG. 4 , les déplacements 32 ont été interpolés par une surface d’interpolation à deux variables x, y obtenue par une régression polynomiale d’ordre N. On obtient ainsi un ajustement 2D, représenté sur la FIG. 4 par la référence 34. La régression polynomiale permet d’avoir un suivi plus complet de l’essai mécanique. La régression polynomiale assure aussi une simplicité de réalisation de dérivations dans les directions x et y, permettant un calcul rapide des dérivations. À l’étape c), référencée 106 sur la FIG. 3 , des déformations de la pièce 10 sur la zone déterminée sont calculées à partir de l’interpolation des déplacements réalisée à l’étape 104. Les déformations calculées peuvent être de petites déformations – au sens de l’hypothèse des petites déformations, c’est-à-dire des déformations inférieures à 10% – de grandes déformations, des déformations définies selon la méthode de Kirchhoff ou des déformations définies selon la méthode de Green-Lagrange. Les déformations calculées peuvent également être des déformations vraies obtenues selon la formule suivante : où ε est le tenseur et U i et U j les champs des déplacements. À l’étape c), des déformations principales peuvent par exemple être calculées pour un point de l’essai à partir d’un cercle de Mohr. L’utilisation des déformations principales permet notamment de changer de repère et de faciliter les calculs. À l’étape d), référencée 108 sur la FIG. 3 , les déformations calculées à l’étape c) sont comparées avec des éléments de référence pour déterminer si la pièce 10 est endommagée. Une analyse des moindres carrés peut être réalisée sur les déformations calculées. De la sorte, un coefficient de détermination R² est obtenu. La valeur de ce coefficient de détermination R² permet de déterminer si la pièce 10 est endommagée ou non. Ainsi, lorsque le coefficient de détermination R² est supérieur à 0,9, il est considéré que la pièce 10 est non-endommagée. Lorsque le coefficient de détermination R² est inférieur à 0,9, il est considéré que la pièce 10 présente un endommagement. En alternative, les déformations calculées peuvent être représentées dans un repère de sorte qu’une distribution des déformations définies selon la direction y (ε yy ) en fonction des déformations définies selon la direction x (ε xx ) soit obtenue. On notera que les déformations définies selon la direction z (ε xy ) peuvent aussi être obtenues, ces déformations représentant un cisaillement. Une aire et/ou une orientation préférentielle de la distribution peuvent être déterminées. L’aire et/ou l’orientation préférentielle de la distribution sont ensuite comparées avec des éléments de référence pour déterminer si la pièce 10 est endommagée. Ces éléments de références peuvent être des pièces d’étude ayant réalisé des essais complémentaires qui permettent de s’assurer de la qualité ou de la non-qualité volontaire de la référence. Dans le cas particulier où la pièce 10 est en matériau composite tissé 3D, comme décrit précédemment, la détermination de l’orientation préférentielle permet de vérifier si le matériau a été sollicité dans le sens chaîne ou le sens trame. Cette information est fondamentale pour le dimensionnement des matériaux composites. En effet, en pratique, les directions d’orientations sont choisies en fonction des futures sollicitations. Le procédé tel que décrit précédemment permet une amélioration de l’étude d’un endommagement lors d’une sollicitation mécanique sur une pièce. En effet, la mesure des déplacements par stéréo-corrélation d’images et le traitement qui s’ensuit permet le suivi des déformations au cours de la sollicitation de la pièce et de pouvoir ainsi obtenir l’évolution de l’orientation que cet endommagement tend à suivre au cours de la sollicitation. L’invention propose également un dispositif D de mise en œuvre du procédé 100 tel que décrit dans ce qui précède. Le dispositif D comprend des moyens C pour mesurer des déplacements de la pièce 10 mécanique par stéréo-corrélation d’images sur la zone déterminée et des moyens 20 pour mettre en œuvre par ordinateur au moins les étapes b) à d). 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 examinés 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 d’un endommagement d’une pièce (10) mécanique soumise à une sollicitation mécanique durant un essai mécanique, ledit procédé comportant les étapes suivantes : a) déterminer (102) des données de déplacements de ladite pièce (10) selon les différentes directions x, y, z de l’espace sur une zone déterminée de la pièce, par stéréo-corrélation d’images ; puis, les étapes suivantes étant mises en œuvre par ordinateur, b) réaliser (104) une interpolation des données de déplacements déterminées à l’étape a) ; c) calculer (106) des déformations de la pièce sur ladite zone déterminée à partir de l’interpolation réalisée à l’étape b) ; et d) comparer (108) lesdites déformations calculées à l’étape c) avec des éléments de référence pour déterminer si ladite pièce mécanique est endommagée. Procédé (100) selon la revendication 1, dans lequel, à l’étape b), l’interpolation est faite par : - une courbe d’interpolation à une variable selon la direction x ou la direction y, ou - une surface d’interpolation à deux variables x, y. Procédé (100) selon la revendication 2, dans lequel ladite courbe d’interpolation à une variable selon la direction x ou la direction y est obtenue par régression polynomiale d’ordre N. Procédé (100) selon la revendication 2, dans lequel ladite surface d’interpolation à deux variables x, y est obtenue par régression polynomiale d’ordre N. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel, à l’étape c), sont calculées des déformations principales à partir d’un cercle de Mohr. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel, à l’étape d), une analyse des moindres carrés est réalisée de sorte que pour un coefficient de détermination R² supérieur à 0,9 un non-endommagement de la pièce est déterminé et pour un coefficient de détermination R² inférieur à 0,9 un endommagement de la pièce est déterminé. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel, à l’étape d), les sous-étapes suivantes sont réalisées : - représenter, dans un repère, une distribution des déformations définies selon la direction y (ε yy ) en fonction des déformations définies selon la direction x (ε xx ), - déterminer une aire de la distribution des déformations représentées, et/ou - déterminer une orientation préférentielle de la distribution des déformations représentées, et - comparer l’aire de la distribution et/ou l’orientation préférentielle déterminées précédemment avec des éléments de référence pour déterminer si ladite pièce (10) est endommagée. Procédé (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la pièce (10) mécanique est une pièce d’un aéronef, en particulier un carter de turbomachine et de préférence un carter d’une soufflante de turbomachine. Dispositif (D) de mise en œuvre d’un procédé (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant : - des moyens (C) pour mesurer des déplacements de la pièce (10) mécanique par stéréo-corrélation d’images sur ladite zone déterminée, et - des moyens (20) pour mettre en œuvre par ordinateur au moins les étapes b) à d).