Essai de flexion

Le préprototype humide a été séché avec du papier et testé moins d’une heure après sa sortie de l’eau. Cette durée n’était pas suffisante pour provoquer une diminution significative de la quantité d’humidité contenue dans la pièce. Une vitesse de déplacement de 3 mm/min au point de chargement a été utilisée. La Figure 4.9 montre la superposition des images du préprototype sec au début et à la force maximale lors de l’essai.

Figure 4.9 Superposition des images du préprototype sec au début et à la force maximale lors de l'essai de flexion

4.4 Analyse des résultats

D’abord, les déplacements à la rupture étaient beaucoup plus élevés que prévu. C’est la déformation de l’assemblage boulonné des préprototypes qui est responsable de cette importante déformation. Il est effectivement possible d’observer à la Figure 4.9 une légère rotation de la portion en acier du préprototype. Des mesures de l’orientation des points de référence des préprototypes ont permis de corriger la valeur du déplacement du point de chargement. La Figure 4.10 présente la force en fonction du déplacement réel du point de

chargement des préprototypes lors des essais de flexion ainsi que les courbes tirées des modèles numériques en conditions de matériaux secs et humides. La portion en pointillé des courbes des modèles numériques correspond au cas où le cœur a théoriquement atteint la rupture, mais pas l’adhésif. Dans cette portion de courbe, le cœur connaît toujours une déformation linéaire même si ce n’est probablement pas le cas en réalité.

Figure 4.10 Force en fonction du déplacement du point de chargement des préprototypes en flexion et des modèles numériques en conditions de matériaux secs et humides

Le Tableau 4.1 résume les résultats expérimentaux obtenus lors de l’essai des préprototypes. Pour chaque préprototype, la correction de la valeur du déplacement a été effectuée en mesurant l’orientation des points de référence de la pièce d’acier à l’aide du logiciel ImageJ. Ces mesures ont permis d’évaluer un angle de rotation des préprototypes. Cet angle était de 2,3° et 1,7° pour les préprototypes sec et humide respectivement. Cette valeur d’angle a ensuite été utilisée pour évaluer par trigonométrie le déplacement du point de chargement provoqué par cette rotation. La valeur de déplacement réel correspond simplement à la différence entre le déplacement mesuré et le déplacement de rotation. Le déplacement réel au chargement maximum était respectivement de 7,57 mm et 5,53 mm pour les pièces sèche et

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 0 2 4 6 8 10 Force [N]

Déplacement réel du point de chargement [mm]

Sec numérique Sec expérimental Humide numérique Humide expérimental

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humide. Un ratio de déplacement réel a été évalué en divisant le déplacement réel par le déplacement mesuré. Ce ratio est ensuite utilisé pour corriger toutes les autres valeurs de déplacement mesurées lors de l’essai mécanique.

Tableau 4.1 Résultats des essais expérimentaux des préprototypes

Caractéristiques Préprototype Variation [%] Sec Humide

Conditionnement en eau [j] 0 90,0 - Durée de l'essai [sec] 385,4 274,2 -

Force maximale [kN] 4,72 3,73 -21,0%

Facteur de sécurité [-] 12,8 10,1 - Déplacement réel [mm] 7,57 5,53 -27,0%

La force à la rupture était respectivement de 4,72 kN et 3,73 kN pour les préprototypes sec et humide. La valeur de ces forces est beaucoup plus élevée que celle du chargement ponctuel équivalent au chargement réel de 0,369 kN évalué au chapitre précédent. Le facteur de sécurité expérimental est donc de 12,8 pour le préprototype sec et 10,1 pour celui qui a été immergé pendant 90 jours.

Il a été montré au Chapitre 2 que les matériaux avec lesquels le cœur et la couche d’adhésif des préprototypes sont faits ont connu respectivement une diminution de résistance de 43% et 42 % après une exposition prolongée à l’eau. Il était donc prévu obtenir une force à la rupture environ 40 % plus faible pour le préprototype humide par rapport à celui sec. Pourtant, une valeur de 21% a été observée. Cela s’explique par le fait que les éprouvettes de caractérisation de résistance mécanique des matériaux du cœur et de l’adhésif sélectionnés étaient à l’équilibre en humidité contrairement au préprototype. En effet, une immersion beaucoup plus longue aurait été requise pour obtenir l’équilibre en humidité du préprototype.

La Figure 4.10 montre une grande ressemblance entre la courbe expérimentale des deux préprototypes. Pourtant, les modèles numériques prédisaient une diminution de la rigidité de la pièce à cause de l’humidité. Ceci est probablement encore attribuable au fait que le préprototype humide n’était pas à l’équilibre en humidité. En effet, peut-être qu’une très

faible quantité d’humidité est parvenue à se rendre au centre du cœur d’époxy de ce préprototype. Cela aurait fait en sorte d’empêcher un changement de rigidité perceptible de la pièce. Dans ce cas, les deux courbes expérimentales auraient dû être superposées sur la courbe obtenue numériquement en conditions de matériaux secs, ce qui n’est pas le cas. Le Tableau 4.2 présente plus en détail une comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux de force et de déplacement à la rupture des préprototypes. Le déplacement numérique à la rupture correspond au déplacement numérique à une force égale à celle de la rupture du préprototype. Pour le préprototype sec, le déplacement expérimental à la rupture est donc 34% plus élevé que le déplacement évalué numériquement. C’est probablement le comportement non linéaire du cœur d’époxy des préprototypes qui a provoqué la diminution de rigidité observée expérimentalement et augmenté le déplacement à la rupture. Un endommagement progressif des préprototypes pourrait également être responsable de cette non linéarité.

Tableau 4.2 Résultats des modèles numériques (Num.) et des essais expérimentaux des préprototypes (Exp.) de force et de déplacement à la rupture

Caractéristiques Condition sèche Condition humide

Num. Exp. Erreur [%] Num. Exp. Erreur [%]

Force à la rupture [kN] 3,00 4,72 57,3% 3,55* 3,73 5,0% Déplacement à la rupture [mm] 5,64 7,57 34,2% 5,15 5,53 7,4% *Force à la rupture de l’adhésif (force à la rupture du cœur négligée)

Selon son modèle numérique, avec une charge de 3,00 kN, le cœur d’époxy du préprototype sec devait atteindre un état de contrainte provoquant sa rupture dans la zone de contrainte maximale du cœur. Pourtant une charge de 4,72 kN a été requise pour provoquer la rupture de cette pièce. Ce chargement est 57% plus élevé que la valeur prédite par l’analyse du coeur du modèle numérique. Par contre, pour qu’il y ait une rupture complète du préprototype, les couches d’adhésif doivent également céder. Donc, toujours selon le modèle numérique, une charge de 7,57 kN était nécessaire pour provoquer la rupture des couches d’adhésif. Toutefois, cette hypothèse supposait une déformation linéaire du cœur d’époxy même après avoir dépassé la limite de rupture. En fin de compte, il était prévu que le préprototype sec connaisse la rupture avec un chargement se situant entre 3,00 kN et 7,57 kN. Avec une force

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à la rupture de 4,72 kN, le préprototype sec a cédé à l’intérieur de la fourchette de chargement prédite.

Pour ce qui est du préprototype humide, comme sa durée d’immersion n’était pas suffisante pour atteindre l’équilibre en humidité, il y avait nécessairement une distribution non uniforme d’humidité dans la pièce. Ces conditions d’humidité font que ce préprototype correspondait à un cas se situant entre le modèle en conditions de matériaux humides et le modèle en conditions de matériaux secs. Selon le modèle numérique avec les conditions humides, à une charge de 0,0 kN, la pièce devait déjà avoir connu une rupture causée par l’expansion hygroscopique de ses matériaux. Donc, c’est plutôt la force numérique à la rupture de l’adhésif qui a été utilisée aux fins de comparaison avec les résultats expérimentaux. En fait, la force expérimentale à la rupture de la pièce s’approche beaucoup cette valeur obtenue à l’aide du modèle numérique. En effet, une valeur de 3,73 kN a été obtenue expérimentalement ce qui n’est que 5,0% plus élevé que le chargement à la rupture de l’adhésif du modèle numérique.

Les faciès de rupture des préprototypes étaient caractérisés par une rupture principalement adhésive. En effet, pour chacune des surfaces des joints, ce type de rupture couvrait au minimum 85% de la surface, comme le montre le Tableau 4.3. La distribution de proportion du type de rupture du côté intrados des deux joints ressemble à la proportion obtenue lors des essais des éprouvettes de joint collé constituées des mêmes matériaux. La Figure 4.11 montre le faciès de rupture du côté intrados de portion d'acier des deux préprototypes. La présence de délamination de matériau composite sur ces faces suggère que le joint s’est approché de sa résistance maximale de ce côté. Par contre, aucune délamination de matériau composite ne se retrouve sur les faciès de rupture du côté extrados des portions d’acier. La proportion de rupture cohésive est également plus faible de ce côté. Cette différence de mode de rupture est peut-être causée par la dynamique de la rupture du joint. En effet, si le côté intrados du joint cède en premier, le mouvement de la pièce aurait comme effet de « peler » la coque du côté extrados. Malheureusement, l’analyse des images vidéo n’a pas permis d’observer la propagation de fissures lors de la rupture des préprototypes.

Tableau 4.3 Proportion approximative des types de rupture des trois parties des faciès de rupture du joint des préprototypes

Type de rupture

Préprototype sec Préprototype humide

Intrados Extrados Coeur Intrados Extrados Coeur

Adhésive 85% 90% 90% 90% 95% 90%

Cohésive 5% 10% 10% 5% 5% 10%

Délamination 10% 0% 0% 5% 0% 0%

Le mode de rupture à l’interface du cœur est sensiblement le même que celui du côté extrados des préprototypes. La présence d’une petite proportion de rupture adhésive suggère que le cœur possède une certaine adhésion à la portion d’acier des préprototypes.

Figure 4.11 Faciès de rupture du côté intrados de portion d'acier du préprototype sec (gauche) et humide (droite)

4.5 Recommandations

Le quatrième préprototype n’a pas subi d’essai mécanique. Cette pièce était toujours immergée dans un récipient d’eau déminéralisée au moment d’écrire ces lignes. Il serait intéressant d’effectuer un essai de flexion de cette pièce après un vieillissement de quelques années. Ce préprototype a été immergé le 8 février 2016 à 15h00.

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Si de nouveaux prototypes venaient à être immergées, il serait important de mesurer la masse de ces prototypes avant et après l’immersion afin d’évaluer la quantité d’humidité contenue dans ces pièces.