Mise en évidence des mécanismes de dissipation d’énergie

2.2.3.1 Essais d’impacts préliminaires sur coupon de bouclier

Dans le cadre du projet SAMBA, plusieurs solutions technologiques intégrant les sphères creuses ont été proposées : structure sandwich avec une âme de sphères creuses libres ou collées, sphères incluses dans un nid d’abeille aluminium, structure multi-étages sphères / mousses.

Des essais préliminaires ont été réalisés sur différentes architectures et pour différentes sollicitations. Ils permettent ainsi de mettre en évidence la participation des sphères creuses dans l’absorption d’énergie, d’analyser en temps réel la ruine de la structure et d’obtenir des résultats qualitatifs sur les mécanismes de dissipation d’énergie. Une première solution étudiée consiste à intégrer des sphères creuses dans un nid d’abeilles aluminium. Le diamètre extérieur des sphères est légèrement inférieur au diamètre des cellules du nida de sorte que l’on ait une colonne de sphères par cellules. Les essais sur cette structure ont été conduits sur une tour de chute afin de réaliser une compression supposée dynamique de la structure. Les éprouvettes ont été dimensionnées pour une énergie d’impact de l’ordre de 400 J avec une vitesse d’impact de 5 à 6 m.s−1(hauteur de chute de 1,5 m) et une masse de 23 kg. Bien que loin des conditions réelles de vitesse, cette expérience nous offre de premiers résultats dynamiques. Un capteur laser est utilisé afin de suivre le déplacement de l’impacteur. Un capteur de force piézoélectrique (Kistler 9061A) est placé entre l’impacteur et la masse tombante. Une caméra rapide (Photron APX-RS) filme l’écrasement de l’éprouvette à une fréquence de 10 000 images par seconde. Les éprouvettes sont des parallélépipèdes de 110 mm de

coté et 50 mm de hauteur. Elles sont constituées d’une âme (nida et sphères creuses) et de deux peaux aluminium de 2 mm pour la face impactée et 0,8 mm pour la face arrière. Compte tenu de la sollicitation uni-axiale, les peaux ont très peu d’influence. Elles ont été mises en place afin de tester l’échantillon dans les mêmes conditions que le bouclier actuel. Cinq types d’éprouvettes sont testés, une sans sphères creuses et 4 avec des remplissages différents allant de 68 kg.m−3 de sphères creuses à 152 kg.m−3 . La répétabilité des résultats est vérifiée en utilisant 3 éprouvettes pour chaque type de remplissage.

La figure2.18nous montre l’écrasement progressif d’un nida contenant des sphères creuses de densité 107 kg.m−3. La vitesse mesurée lors de l’impact est de 5, 7 ± 0,1 m.s−1

FIGURE 2.18 – Essais de compression dynamique sur un Nid d’abeille aluminium rempli de sphères creuses à une vitesse v ≈ 6 m.s−1(∆t = 1, 5 ms)

L’énergie dissipée lors de la compression de la structure est calculée en intégrant la courbe de force en fonction du déplacement. En se plaçant avant la phase de densification, à un écrasement de la structure équivalent, il est possible de comparer les énergies dissipées pour les différentes configurations2.19. L’ajout de sphères creuses dans la structure nida augmente bien l’énergie dissipée pour un écrasement identique. On observe aussi très peu de dispersion.

FIGURE2.19 – Énergie dissipée à∆L/L0= 0, 6 de la structure nida sous compression dynamique

pour différents remplissages de sphères creuses, de 0 kg.m−3_{(vide) à 152 kg.m}−3

La deuxième solution étudiée propose de n’utiliser que des sphères creuses pour l’âme du bouclier. Afin de s’approcher au mieux d’un impact à l’oiseau, il a été décidé de réaliser des tirs de gélatine à l’aide d’un canon à air comprimé. De diamètre 45 mm, le canon permet de lancer des projectiles de 80-100 g à environ 50 m.s−1 lorsque celui- ci est alimenté par de l’air sous pression à 60 bar. Une gélatine d’un indice de Bloom de 300 (quantification de la résistance à l’enfoncement d’une solution de gélatine) est utilisée et sa concentration massique est de 10 %. Deux caméras rapides sont utilisées, une perpendiculaire à l’impact (Photron APX-RS) à partir de laquelle il est possible de mesurer la position de l’impacteur en fonction du temps et donc de calculer la vitesse

d’impact. La deuxième caméra (Photron SA5) se trouve à 45 ° par rapport à la direction du canon et nous offre une vue d’ensemble de l’impact. La fréquence d’échantillonnage est de 42 000 images par seconde pour les deux caméras.

FIGURE 2.20 – Essais d’impact au choc mou sur un assemblage de sphères creuses polymères collées à une vitesse v ≈ 50 m.s−1

Dans le cas des essais sur les sphères libres, plusieurs solutions ont été proposées afin de contenir les sphères avant et après l’impact. La technique consistant à incorporer les sphères dans un sac fermé transparent a été concluante et nous a permis d’observer facilement les éprouvettes post mortem.

La figure2.20nous montre l’impact de la gélatine sur une structure de sphères creuses collées. La vitesse moyenne d’impact relevée est de 51±9 m.s−1pour une dizaine d’essais.

2.2.3.2 Observations post mortem

(a) Avant impact (b) Après impact

FIGURE2.21 – Éprouvette avant et après un essai de compression dynamique v ≈ 5,7 m.s−1sur un nid d’abeilles rempli de sphères creuses

Les éprouvettes ont été observées après avoir été sollicitées. Lorsqu’elles remplissent un nida (figure2.21), chaque colonne de sphères s’écrase indépendamment les unes des autres car les parois en aluminium se déforment sans se rompre. Les sphères creuses interagissent donc seulement avec les parois de la cellule et les autres sphères de la cellule. La rupture des sphères est visible après impact où l’on peut voir que les sphères sont rentrées les unes dans les autres et qu’elles se sont fissurées à plusieurs endroits. La vidéo de l’essai met aussi en évidence le souffle de l’impact qui évacue une partie des fragments des sphères creuses fissurées.

Dans le cas des essais au canon, le constat est le même. Un zoom sur les éprouvettes après impact nous montre une multitude de sphères fissurées, dans le cas des sphères collées sur la figure2.22ou libres sur la figure2.23. Les sphères collées présentent pour la plupart une rupture située au niveau de la zone de collage.

(a) Avant impact (b) Après impact

FIGURE2.22 – Essais d’impact au choc mou sur des sphères creuses collées

(a) Avant impact (b) Après impact

FIGURE2.23 – Essais d’impact au choc mou sur des sphères creuses libres

Ces essais ont fait ressortir un comportement mécanique de type fragile du matériau constitutif : rupture par fissuration, pas ou peu de déformation plastique. Même s’il n’est pas possible avec ces essais de quantifier l’énergie dissipée par la rupture des sphères creuses, la part de ce mécanisme de dissipation semble qualitativement importante. La résine époxyde peut d’ailleurs être considérée comme fragile (propagation d’une fissure sans arrêt pour un taux de restitution d’énergie constant) à température ambiante

KAUSCH [2012] et est sujette à la rupture dynamique. Une approche de modélisation à l’échelle de la cellule est nécessaire afin de pouvoir prédire le comportement de sphères

creuses fragiles incorporées dans différentes structures. Cette approche implique la prise en compte de l’énergie de rupture du matériau.