Surveillance de l'état du collage structurel à l'aide de jauges de contrainte

Comment surveiller en permanence l'état d'un collage structurel pendant le fonctionnement ? Les dommages peuvent-ils être détectés de manière précoce et fiable en appliquant la surveillance de la santé structurale (SHM) ?

Les chercheurs de l'Institut de mécanique structurelle et de conception légère de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle étudient ces questions. À l'aide de jauges de contrainte spécifiques au client, les écarts liés à la production dans la position calculée des jauges de contrainte pourraient être compensés lors du post-traitement. 

Problème

Afin de détecter l'état structurel d'un joint collé et d'assurer une transmission de force fiable, il fallait une jauge de contrainte capable de compenser même les plus petits désalignements.

Solution

Le développement d'une grille de mesure de jauge de contrainte sur mesure fournit une répartition uniforme de la contrainte autour de la position de mesure pour augmenter la précision de la mesure.

Résultats

L'utilisation de la grille de mesure personnalisée permet d'enregistrer des variations de déformation même minimes sur une courte distance de mesure. La disposition exacte des grilles de mesure les unes par rapport aux autres permet de tirer des conclusions concernant le positionnement incorrect de la jauge de contrainte, de sorte que les valeurs mesurées peuvent être corrigées à la position souhaitée.

Surveillance permanente du collage

Les liaisons adhésives ne peuvent pas être testées de manière totalement non destructive. Cela encourage le suivi permanent des joints collés afin d'enregistrer leur état structurel et d'assurer une transmission fiable des forces.

Un tel suivi peut déjà être réalisé très facilement avec une seule jauge de contrainte, qui est collée au composant dans une position particulièrement sensible aux dommages, le point dit de déformation nulle [1]. Cette position spéciale, un simple collage par recouvrement sur la surface des pièces collées, se caractérise par le fait qu'il n'y a pas de déformation si le collage n'est pas endommagé. Dès qu'un dommage survient, la répartition des déformations se déplace, et un signal de mesure clair peut être enregistré.

Le défi de cette approche SHM prometteuse est de positionner la jauge de contrainte le plus précisément possible dans la position préalablement calculée. Cependant, les petits défauts de positionnement (<200 µm) et les variations de l'épaisseur du collage provoquent un décalage du signal de mesure. La variation de la déformation qui en résulte doit alors être corrigée.

Pour mesurer la répartition de la déformation en plusieurs points définis proches des points de mesure, une jauge de contrainte personnalisée a été conçue et fabriquée en collaboration avec HBK. Les grilles de mesure ont été décalées longitudinalement de 0,5 mm et disposées les unes à côté des autres sur le film support (voir Fig. 2).

Essai

Pour évaluer l'adéquation de l'utilisation, les jauges de contrainte développées ont été appliquées sur les deux côtés du collage et le collage par recouvrement a été chargé jusqu'à la rupture dans un essai de traction. Comme prévu, les trois grilles de mesure ont donné trois courbes de mesure décalées.

L'utilisation de trois grilles de mesure décalées l'une par rapport à l'autre a permis de corriger a posteriori les valeurs mesurées en fonction de la position optimale réelle (voir Fig. 3).  

Pour la méthode particulièrement sensible d'évaluation des dommages, cela constitue une grande valeur ajoutée, car elle réagit déjà de manière sensible aux moindres écarts par rapport au positionnement optimal.

Les résultats du premier essai montrent clairement que des résultats remarquables ont été obtenus avec les jauges de contrainte personnalisées de HBK et que la tâche de mesure exigeante a pu être entièrement remplie.

À propos de l'Institut de mécanique structurelle et de conception légère de RWTH Aachen

La Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH Aachen University) la plus grande université d'études techniques d'Allemagne. L'Institut des structures légères a été fondé en 1955 et coopère étroitement avec l'Institut de recherche allemand pour l'aéronautique et l'astronautique (Deutsche Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V.). Ces derniers temps, l'enseignement et la recherche ont été étendus à la mécanique structurelle et à la surveillance de la santé structurale, ce qui se reflète également dans le nom de l'Institut de mécanique structurelle et de conception légère (SLA).

[1] Sadeghi, M. Z. ; Weiland, J. ; Preisler, A. ; Zimmermann, J. ; Schiebahn, A. ; Reisgen, U. ; Schroeder, K. U. Damage detection in adhesively bonded single lap joints by using backface strain : Proposing a new position for backface strain gauges. Int. J. Adhes. Adhes. 2020, 97, 102494.