Dispositif expérimental de compression

2.1.1. Description

Cet essai a été conçu dès le départ en vue de la qualification de structures composites. Ainsi, Boeing, dans les années 70 a proposé l'essai de CAI avec une configuration particulière censée se rapprocher d'un essai de structure sur panneau raidi. En effet, le dispositif de CAI possède des montants latéraux qui maintiennent l'éprouvette dans le plan afin d'éviter un flambement global de l'éprouvette (FIG. IV.2).

FIG. IV.2 - Montage de CAI avec une éprouvette en place selon la norme ASTM D137 [ASTM, 2007a]

Afin de pouvoir comparer les valeurs obtenues sur notre matériau, les essais ont été réalisés suivant la norme ASTM D137 ([ASTM, 2007a]).

Il est intéressant de noter que ce montage permet de tester des dommages et des réparations jusqu'à 80 mm de diamètre. En effet, la taille des éprouvettes pour ce montage est de 100 x 150 mm et les guides anti-flambement en forme de couteaux sont appliqués à une distance de 4 mm des bords. Les conditions aux limites peuvent être représentées par la FIG. IV.3 où l'on voit toute leur complexité.

FIG. IV.3 - Conditions aux limites de l'essai de CAI ; les flèches bleues représentent la force appliquée, les triangles noirs l'appui plan et les marques roses les couteaux et guides qui empêchent le

déplacement hors plan

Ce montage est placé dans une machine de traction/compression électro-mécanique permettant d'atteindre une charge de 150 kN.

Un autre avantage de ce montage, est l'accessibilité de la zone endommagée ou réparée. Cela permet notamment d'utiliser des moyens de contrôle non destructifs in situ pour observer son évolution. Ces différents moyens, ainsi que les moyens classiques d'instrumentation, sont décrits ci-après.

2.1.2. Instrumentation

Le montage de compression ayant été réalisé pour cette étude, la qualité du montage a nécessité certaines vérifications (alignement du montage, vérification des jeux, …). Pour cela, une instrumentation "riche" a été utilisée comprenant de multiple moyens : mesure de la force et du déplacement traverse grâce à la machine d'essai, mesure de la flèche des deux côtés de l'éprouvette grâce à des capteurs LVDT (Linear Variable Differential Transformer), détection de l'endommagement grâce à l'émission acoustique, et enfin, mesure de la déformation grâce à des rosettes disposées de part et d'autre de l'éprouvette (FIG. IV.4).

Cependant, ce dispositif étant très long et complexe à mettre en oeuvre et ne fournissant que des informations ponctuelles, une solution par corrélation d'image moins coûteuse en temps de préparation et plus riche en termes de description spatiale a été utilisée et est décrite ci-dessous.

2.1.2.1. La corrélation d'images

Le système utilisé au cours de cette étude est un système commercialisé par Correlated Solutions®. Il est composé de 4 caméras de 4 MPixels synchronisées et du logiciel de traitement Vic3D (FIG. IV.5). Ce système permet sur l'essai de CAI de mesurer le champ de déplacement en trois dimensions des deux côtés de l'éprouvette et d'estimer le champ des déformations. La précision de cette mesure est estimée à quelques microns dans le plan et 5 à 10 microns en déplacement hors plan.

FIG. IV.5 – Montage de compression avec les deux systèmes de corrélation d'images 3D

Cette installation est particulièrement intéressante car le comportement de l'éprouvette en compression est complexe. La FIG. IV.6 montre les champs de déplacement dans les trois directions obtenus par corrélation d'images. On observe notamment sur le déplacement hors plan (suivant W) le flambement local de l'éprouvette soumise à de la compression malgré les guides anti-flambement.

0.056 -0.112 D é pl ace me nt (m m) 0.7 0.17 Dépla c ement (mm) 1 0 Dépla c e m ent (mm) U V W

FIG. IV.6 – Exemple de corrélation d'images obtenue sur une éprouvette chargée en compression ; A. et B. représente les déplacements dans le plan et C. le déplacement hors plan

Cette instrumentation a également été mise en place en vue de la modélisation de l'essai de CAI. En effet, grâce à la corrélation d'images les conditions aux limites, le flambement, les niveaux de déformation, sont autant de points d'entrées ou de comparaisons possibles avec les simulations par éléments finis.

2.1.2.2. La thermographie infrarouge

Lors de l'essai de CAI, plusieurs processus de dégradation sont en compétition. Afin de suivre ces dégradations seule la thermographie infrarouge permet une utilisation in situ parmi les moyens de CND disponibles. Le principe de cette thermographie est décrit au Chapitre I et la technique choisie pour cette étude, est la thermographie impulsionnelle en réflexion. Grâce à une mesure par méthode laser [Demange, 2003], la diffusivité hors plan du matériau T700GC/M21 est évaluée à 3,4.10-7 m²s-1, et permet de localiser la profondeur du dommage avec la formule suivante :

at

p

=

π

Où : - p : la profondeur du défaut

- a : la diffusivité thermique du matériau

- t : le temps que met le défaut à apparaître après le flash

Le fait que cette technique soit non intrusive permet de réaliser des contrôles de l'état d'endommagement des éprouvettes au cours du chargement (FIG. IV.7).

A.

B.

A.

B.

FIG. IV.7 – A. Montage de thermographie (flashs et caméra) avec le montage de CAI déjà instrumenté avec la corrélation d'images ; B. Exemple d'image instantanée de thermographie infrarouge réalisée

sur une éprouvette dans le montage de CAI ; on observe ici le délaminage le plus profond (dernière interface +60°/0°) sur une éprouvette indentée

Finalement, pour le suivi et la caractérisation de la tenue de la réparation en CAIR (ou Compression Après Impact Réparé), les essais ont été instrumentés de corrélation d'images et de thermographie infrarouge. En effet, les jauges et les LVDT ne donnaient qu'une information très locale reprise par la corrélation d'image. Par ailleurs, les capteurs d'émission acoustique qui ont été mis en place sur les premiers essais, n'ont pas permis de quantifier de manière significative les dommages se produisant pendant l'essai.