IV. Semi structures
IV.4 Protocole expérimental
Le modèle numérique de semi-structure précédemment décrit a permis la conception et le dimensionnement des éprouvettes technologiques ainsi que la détermination des modes de sollicitation à imposer à l’éprouvette. La largeur des éprouvettes est fixée à 50 mm pour les trois types de sollicitation. Comme le nid d’abeille utilisé possède des alvéoles de 3,2 mm, la largeur choisie permet d’avoir une dizaine d’alvéoles ce qui assure d’obtenir le comportement homogène moyen. Les éprouvettes sont découpées dans un barreau long et les alvéoles sur les deux bords libres sont coupées aléatoirement. Un trop faible nombre d’alvéoles dans la largeur aurait créé une dispersion du comportement des éprouvettes à cause du caractère aléatoire de la découpe.
Un travail de conception est alors réalisé pour définir les outillages capables d’imposer les efforts et les conditions limites qui correspondent aux modes souhaités. Pour limiter les coûts, il a été imposé de limiter au maximum le nombre, la taille, la complexité des outillages et le nombre de machines d’essai utilisés. L’outillage de flexion quatre points est quant à lui plus classique, son développement n’est donc pas décrit dans les paragraphes qui suivent.
IV.4.1.1 Outillages développés
La Figure IV-16 montre une représentation 3D des outillages développés pour les trois essais sur les éprouvettes technologiques. Le cylindre en haut des images correspond au capteur de force de la machine. Celle-ci est une machine d’essai de traction-torsion. Elle permet de limiter au maximum la complexité des outillages puisqu’elle évite des systèmes de transformation de mouvement. Le déplacement est toujours imposé sur le voile par la machine quel que soit le type d’essai. Les conditions aux limites sont imposées sur la peau par les mors avec une liberté de glissement ; les déplacements et les rotations des mors du bâti ne sont pas bloqués pour limiter les concentrations de contrainte. La peau glisse à l’intérieur des supports via une interface de téflon pour assurer un faible coefficient de frottement. Un maximum des outillages est réutilisé entre chaque essai afin de réduire les coûts.
Durant l’essai de traction, le vérin de la machine d’essai est uniquement actionné en translation. Le mors montré sur la représentation de la Figure IV-16 est remplacé lors de l’essai par un mors auto-serrant ; celui-ci n’est pas correctement représenté sur la figure. La peau de l’éprouvette est maintenue entre deux surfaces. Les brides autorisent la rotation de la peau et sa translation selon un
86
axe chacune. La peau de la semi-structure peut ainsi fléchir et la liaison se déplacer verticalement. Ces conditions aux limites représentent la cinématique de la voilure caisson avec une portée plus faible.
La sollicitation de flexion est produite à partir d’une rotation du vérin de la machine d’essai. Cette méthode permet de simplifier les outillages puisqu’il n’est pas nécessaire d’arrêter en translation l’éprouvette comme lorsque la flexion est produite par la translation d’un appui dans les montages classiques 4 points et 3 points. Comme dans le cas de la traction, les trois mors qui forment les conditions limites de cet essai laissent relativement libres les mouvements et les déformations de l’éprouvette. Les mors permettent donc la translation locale de la semi-structure. De plus, ces mors sont en pivot d’axe vertical avec le bâti et l’actionneur de la machine d’essai.
Lors de l’essai de torsion, le mors qui maintient le voile est fixe au vérin de la machine. L’éprouvette est uniquement glissée dans cet outillage qui peut donc être appréhendé par un chargement généré par un appui plan. Les deux mors qui créent les conditions aux limites sur la peau permettent aussi dans ce cas deux rotations et une translation de celle-ci. A nouveau, l’objectif est de contraindre un minimum les modes de déformation des éprouvettes mais de bien guider les déplacements.
Traction Flexion Torsion
Figure IV-16 : Représentation 3D des outillages permettant de solliciter les éprouvettes technologiques selon les modes élémentaires
IV.4.1.2 Métrologie
Deux familles de métrologies sont employées pour capter le comportement et l’endommagement de la liaison. La première dite in situ donne des informations sur l’éprouvette pendant l’essai, la seconde dite ex situ n’est utilisée que lors d’interruptions de l’essai et après rupture.
Plus précisément, la première famille de mesures regroupe les capteurs de force/couple et de déplacement/angle de la machine d’essai. Ces éléments donnent des informations sur le comportement global de l’éprouvette. Ils sont complétés par des jauges d’extensométrie dont l’implantation est schématisée Figure IV-17. Celles-ci donnent des informations locales du comportement de l’éprouvette. Des jauges HBM d’une taille de grille de 7 mm avec une déformation
Capteur
Mors
87 sont complétées par une chaine d’émissions acoustiques pour obtenir des informations sur l’endommagement. Le décalage des jauges dans la largeur donne une plus grande liberté dans le positionnement des capteurs d’émission acoustique.
Une caméra numérique d’une résolution de 9 MPx complète les moyens de mesure in situ afin d’observer le comportement global de la liaison des éprouvettes et les endommagements visibles sur les faces extérieures.
Une dernière caméra HD filme le déroulement de l’essai avec les outillages dans le champ pour enregistrer des éventuels mouvements des outillages ou une rupture en dehors du champ de la caméra haute résolution.
Le tomographe est le moyen de mesure ex situ utilisé. Il impose de stopper l’essai et de démonter l’éprouvette de la machine. Cela permet d’observer la microstructure interne initiale, et l’évolution de l’endommagement dans l’éprouvette pendant l’essai. En revanche, il faut garder en mémoire qu’il perturbe l’essai puisque le démontage et le remontage de l’éprouvette recrée les jeux de mise en place dans les outillages et l’éprouvette n’est pas remise à l’exacte position de la charge précédente.
Figure IV-17 : Schéma de l’implantation des jauges sur les éprouvettes technologiques
IV.4.1.3 Méthodologie
Afin d’employer de la manière la plus efficiente possible l’ensemble des moyens de mesure décrit ci-dessus, une méthodologie d’essai est mise en place. Elle consiste tout d’abord à mesurer l’éprouvette. Ensuite l’éprouvette est scannée au tomographe pour vérifier la non-présence de
88
défauts ou si ceux-ci existent, les détecter et les mesurer. Pour ne pas trop dégrader la résolution de la tomographie, la dimension de mesure est fixée sur la largeur de l’éprouvette soit environ 50 mm. La dimension du voxel (pixel cubique) est alors de 40 μm. Après cette étape, la semi-structure est testée sur la machine d’essai, une nouvelle tomographie permet l’observation des dommages après la rupture de l’éprouvette. Un minimum de deux éprouvettes est testé selon cette méthodologie. La première semi-structure est sollicitée de manière monotone jusqu’à rupture tandis que les suivantes subissent des charges répétées progressives (CRP) interrompues. Une seule interruption est effectuée par éprouvette. Les essais CRP interrompus sont pilotés par les mesures de la chaine d’émissions acoustiques et la forme de la courbe force-déplacement de l’éprouvette monotone. En fonction des mesures sur l’éprouvette sollicitée de manière monotone, les niveaux de charges de chaque cycle sont décidés ainsi que le niveau de l’interruption. Les cycles sont définis après des signes d’apparition d’un endommagement. En effet, les remontées en charge après une décharge donnent également des informations sur l’endommagement par les changements de pente et les effets Kaiser ou Felicity, elles permettent donc une caractérisation supplémentaire. L’éprouvette est ensuite testée selon la méthode décrite ci-dessus. Au moment de l’interruption, l’éprouvette est déchargée, démontée et passée au tomographe pour une nouvelle mesure de la liaison afin de capter les endommagements à l’échelle mésoscopique (échelle du pli). L’éprouvette est ensuite remontée et une nouvelle sollicitation CRP de plusieurs cycles est appliquée jusqu’à la fin de l’essai. La fin d’essai n’est pas toujours synonyme de rupture totale de l’éprouvette. Pour caractériser l’endommagement, une tomographie post essai est également réalisée sur les éprouvettes. Les fins d’essai pour les éprouvettes d’un même type sont alors réalisées après des niveaux de charge différents afin de réaliser plus de tomographies sur l’histoire de chargement d’un type d’essai. L’ensemble des tomographies permet de suivre la progression de l’endommagement dans la liaison.
IV.4.2 Eprouvette de flexion 4 points
Un outillage de flexion 4 points a été développé sur une machine de traction de 1200 kN afin de solliciter une semi-structure en I. Les mêmes métrologies et méthodologies que précédemment sont mises en place sur cet essai. Toutefois, la dimension de ces éprouvettes ne permet pas la réalisation de tomographie. Les essais seront donc non interrompus et réalisés jusqu’à la rupture complète. Plusieurs caméras filment les éprouvettes en I sous différents angles afin de capter la cinématique globale de l’essai. Cette disposition permet de conserver un grossissement important malgré les dimensions de l’éprouvette et ainsi de visualiser des phénomènes locaux.
Le même plan d’implantation des jauges est utilisé pour ces essais. Il est appliqué sur les deux liaisons qui composent ces éprouvettes (Figure IV-18). Les jauges sont ici placées dans le plan de symétrie des éprouvettes. Des jauges bidirectionnelles sont utilisées afin de capter les mêmes informations que dans le cas des semi-structures tout en mesurant les déformations dues à la flexion globale. L’axe longitudinal de toutes les jauges correspond à la longueur de l’éprouvette.
89
Figure IV-18 : Schéma de l’implantation et du nom des jauges sur les éprouvettes en I
La caméra numérique haute résolution n’est cette fois plus concentrée sur la liaison voile-peau mais possède un champ suffisamment large pour inclure les deux appuis centraux (Figure IV-19). Une méthode de suivi de tâches est utilisée pour déterminer la flèche des éprouvettes et la forme de la déformée dans le même temps. Le suivi de mouchetis est rendue impossible par les dimensions et la géométrie des éprouvettes. La mesure de la déformée nécessite d’avoir un champ couvrant les appuis centraux, la taille des pixels est alors de l’ordre de plusieurs dixièmes de millimètre. Cette taille rend difficile la création de fenêtres de corrélation sur les peaux des éprouvettes. De plus, les peaux sont des sandwichs avec une âme en nida non plane et sur lesquels la dépose d’un mouchetis est complexe. C’est pourquoi la méthode des marqueurs est utilisée pour capter les déplacements des peaux. Un grand nombre de marqueurs est disposé afin d’obtenir la déformée des éprouvettes en cours d’essai.
Figure IV-19 : Image tirée de la caméra haute résolution lors de l’essai sur éprouvette en I
IV.4.3 Méthode d’analyse des données
L’ensemble des essais, quel que soit leur type est traité suivant la même méthode d’analyse. Elle consiste à tracer les courbes représentatives du ‘couple en fonction de l’angle’ ou de la ‘force fonction du déplacement traverse’ de l’ensemble des chargements effectués sur un type d’éprouvette. Ce graphique est annoté avec différents numéros, accolades et zones entourées. Des repères sont également disposés sur ce graphique pour indiquer les tomographies et les photos
100mm
90
qui aident à décrire la cinétique d’endommagement. Le repère des tomographies est mis au niveau maximal de déplacement/rotation avant la décharge. Ensuite, les courbes représentatives des déformations mesurées par les jauges de l’éprouvette sollicitée de façon monotone jusqu’à rupture sont tracées sur un second graphique. Celui-ci est annoté avec les mêmes numéros pour faciliter l’analyse croisée des résultats. Ces courbes servent à l’explication des résultats et notamment la description de la cinétique d’endommagement jusqu’à rupture. L’analyse du comportement des éprouvettes pendant les essais s’appuie sur l’ensemble des moyens de mesure déployés lors des essais. Les phénomènes décrits grâce aux courbes sont observés sur les images de la caméra haute résolution et confirmés par les tomographies lorsqu’ils sont visibles sur celles-ci. Les résultats de cette analyse sont explicités chronologiquement avec le chargement. La rédaction est séparée en paragraphes spécifiques correspondant chacun à un phénomène différent. Les intervalles de couple/force ou d’angle/déplacement traverse qui définissent les tronçons sont données pour l’éprouvette monotone de chaque type d’essai.