Projet « machines de flambement des plaques sandwich » Contexte.

Le projet a pour but d’améliorer une machine existante afin de s’adapter à une nouvelle expérimentation, aux matières composites testées et aux efforts mis en jeu.

C’est une machine de flambement développée au LMSP (Laboratoire de Mécanique des Systèmes et des Procédés) de l’ENSAM pour tester les plaques sandwich qui sont utilisées dans le domaine du bâtiment. Les études antérieures sur le sujet ont permis de réaliser deux prototypes (de 1994 à 1997), mais ces installations ne conviennent pas au besoin actuel de l’étude.

Le projet d’amélioration repose sur deux années 1997-1998 et 1998-1999. L’analyse de la machine existante permet d’identifier les problèmes provenant de la presse et de l’interface entre l’échantillon et le bloc de fixation. L’équipe de développement décide donc de

reconfigurer la presse en raison du manque d’effort disponible et de changer le montage pour éliminer les influences des effets de bords sur le phénomène de flambement et de post

flambement.

Conception du montage – les réussites et les imperfections.

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On constate plusieurs décalages entre le modèle théorique d’essais (Fig. 7) et les modèles expérimentaux proposés dans les études antérieures (Fig. 8). Ces décalages conduisent à des résultats d’essais non validés [GRASS 98].

Fig.9. Modèle théorique.

Fig.10. Modèles expérimentaux.

1. Liaison encastrement 2. Liaison pivot

Ce projet d’amélioration a pour but d’approcher le modèle théorique. L’analyse du phénomène de flambement permet de déterminer les exigences suivantes :

11. 1. Pour créer de la « compression pure » avant le flambement, le plan de l’effort doit

coïncider avec le plan milieu de l’échantillon.

12. 2. Pour tenir compte de l’épaisseur non négligeable de l’échantillon, l’effort de

compression doit être uniformément réparti sur la surface de l’extrémité.

13. 3. Pour le post flambement, l’axe de la liaison en rotation doit coïncider avec le plan de

l’extrémité.

14. 4. Le frottement de la liaison en rotation doit être réduit le plus possible (négligeable par

rapport à l’effort critique en flambement)

En tenant compte des exigences ci-dessus, on a écarté le modèle expérimental 1 à cause de la deuxième et de la troisième exigence. Le modèle expérimental 2 respecte les trois premières exigences mais il n’a pas permis de respecter la quatrième. Le frottement trop important dans la liaison pivot a faussé les résultats d’essais.

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La solution retenue est de reprendre le modèle 2 en réduisant le frottement dans la liaison pivot (Fig. 9) par des galets à roulements (Photo 1).

Contre-poids

Demi-cylindre

Photo. 1. Partie pivot sur son support.

Fig.11. Modèle expérimental retenu.

Cette analyse a résolu le problème fondamental du montage. L’étalonnage et les premiers essais de validation du MES, en utilisant des matériaux connus, donnent des résultats très intéressants. La répétitivité est bonne.

Il y a encore quelques imperfections à faire évoluer. La première est liée à la difficulté de mise en œuvre. La précision de positionnement de l’échantillon influe directement sur les résultats d’essais à cause de la première exigence. Pour atteindre cette précision, le temps de la mise en position de l’échantillon est beaucoup trop long, elle nécessite une journée de préparation pour réaliser une dizaine de minutes d’essais. De plus, il subsiste un risque

d’échec non négligeable. Deuxièmement, le déplacement brutal au moment du flambement produit un effet dynamique sur les tiges des capteurs de déplacement qui risque de les

endommager. Troisièmement, la masse du demi cylindre qui sert de pivot (Photo 1) conduit à une inertie importante. Elle perturbe le seuil de flambement de l’échantillon. En général elle fait augmenter légèrement l’effort critique.

La deuxième année [DOSSIN 99] est consacrée à l’amélioration du montage et à l’étalonnage de la machine. La mise au point reste encore longue mais la protection des capteurs est résolue. L’allègement du demi-cylindre n’est pas envisagée à cause du délai et du budget limité.

Remarque

L’analyse du modèle théorique et le choix du modèle expérimental conditionne la réussite du projet. Cette analyse permet à l’équipe d’identifier les exigences dont les projets précédents n’ont pas tenu compte.

La perturbation, liée à l’inertie de la partie « pivot », peut être identifiée en analysant le problème dynamique du flambement. Cette expérience démontre que l’analyse du phénomène à étudier est une étape très importante pour déterminer tous les aspects de celui-ci. Elle

montre aussi qu’avant d’ignorer un effet quelconque, on doit s’assurer que son impact est négligeable. En cas de doute, des vérifications au cours de la conception du MES sont nécessaires.

Le dimensionnement du demi-cylindre est conditionné d’une part par la rigidité du montage et d’autre part par la limitation d’inertie en mouvement. Comme cela est indiqué ci-dessus, le surdimensionnement a favorisé la première performance et défavorisé la deuxième. L’analyse des impacts de la rigidité et de l’inertie sur la qualité des essais démontre que cette pièce pourrait être plus compacte pour rééquilibrer ces deux facteurs afin de trouver une somme de perturbations minimale.

La mise en œuvre complexe de l’essai est liée à la simplification des fonctions du montage. Cette simplification est imposée par des contraintes de délai et de budget. On s’aperçoit que le gain de temps et d’argent dans la phase de développement du MES ne compense pas les pertes de temps et d’argent dans la phase d’exploitation.

Ces contradictions sont des problèmes très courants dans la conception. Le compromis doit être basé sur l’optimisation de la performance globale du MES qui représente la qualité des essais et non pas la performance d’une fonction particulière ; surtout quand ces fonctions rentrent dans un conflit technique ou économique.

3.2.2 Projet banc d’essais de flambement avec frottement conditionné de poutres composites.