1.2.1 Donn´ees d’entr´ees
Pour r´ealiser l’essai de fatigue thermique, Snecma dispose d’un banc `a flamme fonc-tionnant avec un m´elange d’oxyg`ene et de t´etr`ene, et de plusieurs g´eom´etries de chalumeau. On est capable de contrˆoler la puissance calorifique de la flamme (en jouant sur la stoe-chiom´etrie du m´elange oxyg`ene-t´etr`ene), donc la temp´erature en face avant de l’´eprouvette, mais ´egalement de r´eguler le d´ebit d’air froid en face externe de l’´eprouvette. Les quantit´es que l’on choisit d’imposer sont donc la temp´erature de flamme et le d´ebit d’air froid en face arri`ere, qui auront une incidence sur les temp´eratures en face arri`ere et en face avant de l’´eprouvette.
Les deux zones les plus critiques de la chambre de combustion sont la zone du premier trou de multiperforation en aval des trous de dilution, et la zone de raccord entre la paroi de la chambre et la bride externe (voir figure 5.4). Cette derni`ere a servi `a d´efinir l’essai de validation thermom´ecanique uniaxial, car elle subit de grands niveaux de contraintes axiales et tangentielles. La zone en aval des trous de dilution est quant `a elle peu charg´ee en contraintes axiales et tangentielles. On se propose donc d’utiliser les donn´ees en termes de temp´eratures disponibles dans cette zone pour d´efinir les conditions d’essai de fatigue thermique.
Selon des r´esultats de calculs thermiques men´es sur la chambre par le bureau d’´etudes, le cycle « type » pourrait ˆetre d´efini comme suit :
– temps de mont´ee du ralenti aux pleins gaz : 12s – palier plein gaz d’une dur´ee de 46.5 s
– temp´erature de l’air inject´e au palier pleins gaz : environ 520˚C – temp´erature de l’air inject´e au ralenti : environ 210˚C
– temps de descente du plein gaz au ralenti : 12 s
D´efinition et r´ealisation d’un essai sur structure repr´esentative 111
FIG. 5.4: Zones fortement sollicit´ees sur une chambre de combustion M88 bar - d´ebit par trou de multiperforation : 0.24g/s
– pression au ralenti : 3.69 bar en face externe, 3.60 bar en face interne, soit ∆P = 0.09 bar - d´ebit par trou de multiperforation : 0.045g/s
Aux pleinx gaz, la temp´erature vue par le mat´eriau en face interne est d’environ 900˚C. Au ralenti, on consid`erera en premi`ere approximation qu’il n’y a plus de combustion, donc plus de flamme. A ce moment le chalumeau sera d´eplac´e sur le cˆot´e `a l’aide d’un v´erin et guid´e sur un rail. Les valeurs ci-dessus ne pourront cependant pas ˆetre rigoureusement respect´ees, en raison de la difficult´e de mise en oeuvre d’un tel essai : par exemple, il est tr`es difficile de contrˆoler la temp´erature de l’air sous pression inject´e. Un essai similaire au banc `a flamme a permis de constater que la temp´erature de l’air froid a mˆeme tendance `a augmenter tout comme la temp´erature du montage au cours de l’essai. Cependant, on ne pourra certainement pas atteindre la valeur de la temp´erature au plein gaz pour l’air froid. L’essentiel est en tout cas de connaitre le champ de temp´erature sur la face arri`ere. Pour ce qui est du d´ebit de l’air froid, nous sommes ´egalement limit´es par le mat´eriel : un d´ebit maximal de 130 L/min est envisageable, ce qui repr´esente 0.012g/s pour chaque trou de multiperforation. Quant aux pressions atteintes en utilisation r´eelle, elles ne pourront pas ˆetre reproduites ici.
S’inspirant de ces r´eflexions, le cycle appliqu´e est le suivant :
– dur´ee pleins gaz (temp´erature en face avant : 900˚C, d´ebit d’air 130 L/min) : 48 se-condes
– dur´ee de ralenti (le chalumeau est ´ecart´e, le d´ebit d’air reste `a 130 L/min) : 12 se-condes.
Des mesures r´ealis´ees lors de l’essai d’´etalonnage montrent que les temp´eratures relev´ees par des thermocouples au point central des deux faces de l’´eprouvette ´evoluent en cycles
trap`ezes conform´ement au cycle « type » pr´evu par le bureau d’´etudes. Seuls les niveaux de temp´erature sont l´eg`erement diff´erents (figure 5.5).
FIG. 5.5: Evolution de la temp´erature au point central des deux faces de l’´eprouvette ´etalon
1.2.2 Donn´ees mesur´ees et moyens de mesure
L’objectif de l’essai est de valider le mod`ele d’endommagement incr´emental ´etudi´e, il est donc indispensable d’avoir acc`es au temps `a rupture de l’´eprouvette. Ici, le temps `a rupture est d´efini comme la dur´ee au terme de laquelle une m´esofissure d’une longueur d’environ 300µm est d´etect´ee. Deux solutions sont possibles pour cela. La premi`ere consiste `a r´ealiser des observations in situ de l’´eprouvette `a l’aide d’un appareil optique grossissant. L’encombrement dˆu au montage, l’accessibilit´e restreinte `a la face arri`ere de l’´eprouvette et la distance `a maintenir entre l’´eprouvette et l’appareil optique `a cause de la chaleur g´en´er´ee par l’essai nous forcent `a envisager les choses d’une fac¸on plus pragmatique. Il a donc ´et´e d´ecid´e de r´ealiser un support amovible de l’´eprouvette, afin de pouvoir la d´eplacer sans modifier ses conditions de maintient. Il devient alors possible d’observer l’´eprouvette `a la lunette binoculaire `a intervalles de cycles r´eguliers, jusqu’`a obtenir un grossissement d’un facteur 40, suffisant pour visualiser un fissure de 0.3mm.
Il est ´egalement indispensable de pouvoir mesurer les temp´eratures en face avant et arri`ere de l’´eprouvette, afin d’asservir en cons´equence le m´elange oxyg`ene-t´etr`ene de la flamme et le d´ebit d’air froid. En face avant, une cam´era infra-rouge Flir ThermoVision de gamme spectrale 7.5-13µm munie d’une optique Flir ThermaCAM 12˚(grossissement x2) est utilis´ee afin d’acqu´erir les champs de temp´erature lorsque le chalumeau n’est pas devant l’´eprouvette (lors du refroidissement par exemple). La cam´era est associ´ee au logiciel Ther-maCAM Researcher Pro 2.7 qui permet de visualiser et de traiter les images sur ordinateur. Sur les deux faces de l’´eprouvette, des pyrom`etres mesurent l’´evolution de la temp´erature en un point au cours des cycles thermiques. Une ´eprouvette d’´etalonnage est utilis´ee, sur laquelle sont soud´es des thermocouples, afin de r´ealiser un recalage avec les valeurs de
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temp´eratures acquises par la cam´era infra-rouge et par les diff´erents pyrom`etres, au cours d’un essai d’´etalonnage d´edi´e.
Enfin, on se propose de mesurer les d´eplacements en surface de la face arri`ere de l’´eprouvette par corr´elation d’image. Cela permettra d’en d´eduire le champ des d´eformations en face arri`ere, et de pouvoir comparer les r´esultats exp´erimentaux aux simulations num´eriques. Un moucheti de peinture doit ˆetre r´ealis´e sur la face concern´ee de l’´eprouvette, qui puisse r´esister aux temp´eratures ´elev´ees vues par la pi`ece. Une cam´era d’acquisition CCD est ´egalement n´ecessaire afin de prendre des images en niveau de gris pendant l’essai. La taille de l’´eprouvette et sa distance `a l’emplacement de la cam´era n´ecessitent l’emploi d’un objectif. La cam´era utilis´ee est une Panasonic WV-BP100 `a monture C que l’on a associ´ee `a un objectif Schneider Variogon 1.8/12.5 - 75mm ainsi qu’`a un doubleur de fo-cale Pentax. Le logiciel Correli d´evelopp´e au LMT-Cachan (Hild 2002) sera utilis´e pour les calculs de corr´elation d’images.
1.2.3 R´ealisation du montage
FIG. 5.6: Sch´ema synth´etique d’une coupe du support de l’´eprouvette d’essai Une fois les moyens de mesure clairement d´etermin´es, le montage a pu ˆetre r´ealis´e. Le support a ´et´e usin´e dans un acier inoxydable de type Z10CNT18 selon le plan donn´e en
an-nexe B. Les ´eprouvettes ont ´et´e usin´ees dans des plaques de Haynes188 de 2mm d’´epaisseur, et les multiperforations ont ´et´e r´ealis´ees par perc¸age au laser. Par analogie aux chambres de combustion, le cˆot´e d´ebouchant du perc¸age est plac´e du cˆot´e chaud. L’´eprouvette est mainte-nue l´eg`erement serr´ee sur le support par une plaque viss´ee, les tranches de l’´eprouvette res-tent libres. L’air de refroidissement d´ebouche dans la cavit´e situ´ee `a l’arri`ere de l’´eprouvette par un conduit, de haut en bas. Il est important de disposer l’´eprouvette de mani`ere `a ce que la multiperforation soit ´egalement orient´ee de haut en bas en allant de la face externe `a la face interne, ceci pour repr´esenter fid`element la cr´eation du film d’air en face interne de la chambre. A l’arri`ere de la cavit´e, une vitre totalement transparente est maintenue serr´ee contre le support : elle doit permettre d’avoir un acc`es visuel `a la face arri`ere de l’´eprouvette, tout en s’assurant de l’´etanch´eit´e de la cavit´e d’air froid. Le sch´ema de la figure 5.6 r´esume ce montage.