Réussite des essais structuraux des composants à haute résistance

Depuis de nombreuses années, Les jauges de contrainte prouvent leur valeur en analyse expérimentale des contraintes, principalement dans l'analyse de  fatigue de composants majeurs. Les effets de charges réelles ou simulées sur des assemblages ou des structures peuvent être évalués, avec d'excellents résultats, en utilisant des chaînes de mesure construites autour de jauges de contrainte, .

Les nouveaux matériaux dits de haute résistance tels que les composites lancent un excellent défi aux équipements de mesures avec jauges, particulièrement quand les composants sont testés jusqu'à leurs limites mécaniques. Parfois il arrive qu’une jauge, subissant un haut niveau de charges sur une longue période, faiblisse et se détériore avant le composant testé.

Résistance aux chargements alternés

La résistance d'un élément mécanique à la fatigue est décrite par sa tenue aux charges alternées. Cela peut être décrit et relevé par une courbe spécifique du matériau S-N. Dans un essai S-N, un échantillon de matériau est chargé de manière cyclique, habituellement sous forme sinusoïdale, avec une amplitude constante. Les essais se font jusqu’à la défaillance du matériau (par exemple rupture). Si cet essai est maintenant répété avec différentes amplitudes et un nombre de cycles donné jusqu’à la défaillance alors dans chaque cas, la représentation des points dans un graphique représente la courbe S-N. Le nombre de cycles jusqu’à rupture du matériau est entré de façon logarithmique sur l'axe des abscisses, l'amplitude associée est entré comme effort ou contrainte mécanique sur l'axe des ordonnées.

Le diagramme suivant montre les courbes S-N pour différents matériaux. Il est évident de constater la haute résistance des composites aux charges alternées.

Courbe S-N d'une jauge de contrainte

Les jauges de contrainte sont elles-mêmes sujettes à la fatigue et ont ainsi une courbe S-N. Cela dépend essentiellement des matériaux (particulièrement celui de la grille de mesure), la disposition et l'installation elle-même. La jauge construite avec des grilles de mesure en alliage spécial nickel-chrome montrent bien une meilleure tenue aux charges alternées qu’une jauge avec une grille en Constantan.

Dans la conception d’une jauge de contrainte, les géométries incurvées sont préférables à celles angulaires, de manière à augmenter la résistance aux charges alternatives. Les plots de soudure équipés d’une patte empêchent au câble d’exercer un effort mécanique sur la grille qui pourrait probablement entraîner une rupture entre le plot de soudure et la grille. Les développeurs de jauge de contrainte retirent beaucoup de l’expérience acquise lors d’essais de résistance complexes pour créer une base appropriée.

En revanche, l'installation elle-même reste du fait de l'utilisateur. Il est extrêmement important ici d’appliquer seulement une mince couche de colle entre la jauge et la structure et d’utiliser autant que possible un minimum de soudure. Le but recherché est d’obtenir des points de soudure aussi flexibles que possible et de se fixer des  valeurs d’arrêt prédéterminées. L'essai de détermination de la courbe SN d'une jauge de contrainte, ne se poursuit pas, cependant jusqu'à la destruction complète de la jauge, puisqu’un critère arrêt est défini. Une dérive de zéro de plus de 100 µm/m est habituellement appliquée pour le critère d'arrêt. La valeur type pour l’endurance d’une jauge standard avec une grille de mesure en Constantan est 107 charges alternatives à ±1400 µm/m. C'est plus qu'assez pour les matériaux métalliques, mais pas pour les fibres composites haute résistance, (voir le graphique 1).

Augmentation de la tenue de la jauge de contrainte aux charges alternatives

Les jauges de contrainte à trame pelliculaire de la  série M répondent aux critères souhaités. La grille de mesure se compose d'un alliage spécial de nickel-chrome et la disposition a été conçue pour obtenir une résistance optimale aux charges alternatives. Les plots de soudure avec pattes sont le résultat optimisé par de nombreux essais apportant des améliorations systématiques. Les matériaux haute résistance peuvent être testés de cette façon. Le graphique ci-dessous montre la comparaison directe entre cette nouvelle série et une jauge universelle1 (dans l’exemple série M et Y de HBM).

Résistance extrême aux charges alternatives avec la technologie optique

Si la résistance aux charges alternatives doit être encore plus augmentée et la courbe SN déplacée vers le haut, des jauges de contrainte métalliques ne  peuvent plus être employées. L'alternative évidente est la technologie optique, basée sur l’utilisation de fibre en réseaux de Bragg (FBG).

Cette technologie consiste à inscrire un réseau de Bragg dans une fibre optique. Le réseau réfléchit une longueur d'onde spécifique dans le spectre optique. Cette longueur d'onde dépend de la contrainte. Ce qui permet de construire des jauges de contrainte optiques sur ce principe.

La fibre optique a des propriétés mécaniques isotropes et ne connait pas la signification de fatigue, ce qui est malheureusement le cas pour les matériaux métalliques. Les fibres optiques peuvent être chargées dynamiquement jusqu'à un niveau maximal de 30000 µm/m. Des essais de fatigue ont été réalisés à ±5,000 µm/m jusqu'à 107 cycles de charge sans aucun dommage².

Les fibres optiques peuvent être noyées dans le matériau et supporter un grand nombre de cycles avec des hauts niveaux de contrainte. Elles peuvent également être employées là où des jauges de contrainte électriques ne peuvent pas en principe être utilisées. Par exemple, dans des champs électromagnétiques très élevés (transformateurs, commutateurs haute tension, etc.). En analyse de fatigue, les matériaux modernes tels que les fibres composites exigent une plus grande tenue aux chargements alternés. En prenant des mesures appropriées, HBM est capable avec sa série M de proposer des jauges qui puissent résister à des charges alternées très0 élevées de sorte à répondre à la plupart des mesures actuelles. Les jauges optiques sont également une solution appropriée aux chargements alternés extrêmes.

1 Grille de mesure Constantan sur support polyimide

2 Mesures faites avec la jauge de contrainte optique « K-OL » de HBM

Concernant l'auteur

Jens Boersch est Product Manager chez HBM depuis 14 ans. Il a travaillé sur presque tous les produits, y compris les jauges de contrainte, les systèmes d'amplification et le logiciel d’acquisition de données, dans le domaine des essais et de la mesure HBM. Il est basé à Darmstadt en Allemagne.

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