Essais & Simulations n°139

DOSSIER
DE LA SIMULATION POUR L’AÉRO
La forte croissance des technologies
de fabrication additive métallique
rend possible la fabrication de pièces
composées de structures treillis, avec des
matériaux connus pour leurs performances
mécaniques, comme par exemple les
alliages base nickel, les alliages de titane ou
encore les nouvelles générations d’alliages
d’aluminium. Ces matériaux architecturés
prometteurs restent encore peu employés
dans la conception de pièces de structure,
car ils requièrent des méthodes de développement
nouvelles à l’échelle industrielle
(simulation, caractérisation, fabrication).
Dans ce cadre, l’Institut de Recherche Technologique
(IRT) Saint Exupéry, s’appuyant
sur l’expérience du laboratoire SIMaP en
matière de matériaux architecturés, mène
un projet de recherche et développement
de 24 mois, dénommé LASER (LAttice
Structures for Engines and LauncheRs),
rassemblant de grands industriels de l’aéronautique
et du spatial, dans le but de leur
fournir des outils de compréhension et
de conception pour les bureaux d’études.
EikoSim, jeune entreprise spécialisée
dans le lien entre essais et simulations,
fournit au projet LASER son expertise
et son logiciel de mesure de champ par
corrélation d’images numériques. Focus
sur les méthodes d’essai et de simulation.
Les essais sur structures treillis réalisés dans
le cadre du projet LASER visent à mettre en
évidence les modes de déformation dans
des configurations de compression ou de
cisaillement, avec différentes conditions
limites et des effets d’échelles en jouant
sur le nombre de mailles élémentaires
constituant les éprouvettes. La diversité
de ces configurations doit permettre de
mettre au point et valider une approche
de modélisation numérique. L’étude se
limite à ce stade à des sollicitations quasistatiques
à température ambiante comme
point de départ pour fixer les méthodes.
Les structures testées sont constituées de
micro-poutres de diamètre 1 millimètre
au maximum organisées selon des mailles
de type BCC (cubique centré) ou BCCZ
(cubique centré avec poutres verticales).
Pour capturer la cinématique complexe
de telles structures treillis sous sollicitation
mécanique, impossible de recourir
à une méthode de mesure traditionnelle.
Les jauges de déformation, par exemple,
sont très difficiles à utiliser à l’échelle des
micro-poutres et n’apporteraient qu’une
information très partielle de la réponse
structurelle. La mesure du déplacement
global est toujours possible à partir d’extensomètres
et l’effort appliqué est capturé par
une cellule de charge indispensable. Dans
ces conditions, le lien entre les résultats
expérimentaux et la modélisation reste
faible, et il apparaît très difficile de mettre
au point une modélisation prédictive, qui
permettra de concevoir avec un haut niveau
de confiance des structures plus complexes,
différentes de celles caractérisées en laboratoire.
Structure treillis à motif BCCZ après essai
de compression, bande de cisaillement
caractéristique – IRT Saint-Exupéry
Le recours à des méthodes de mesure plus
performantes est un moyen de relever les
défis posés par ces géométries nouvelles. La
mesure de champ, par corrélation d’images
numériques en particulier, est un candidat
naturel pour capturer l’hétérogénéité de
la déformation et les phénomènes d’instabilités
locales qui apparaissent.
ESSAI DE COMPRESSION SUIVI PAR
CORRELATION D’IMAGES
La mise en œuvre de la corrélation d’image
passe par l’application d’un mouchetis
(motif contrasté) sur la pièce, adapté à
l’échelle et à la résolution des caméras. Sur
les structures treillis, celui-ci est appliqué
au moyen d’un aérographe pour atteindre
des tailles de tâches de quelques dizaines
Application d’un mouchetis noir sur fond blanc
sur une structure treillis – IRT Saint-Exupéry
de microns.
Pendant l’essai, deux faces de l’échantillon
sont observées à l’aide de deux couples de
caméras haute résolution. Cela permet de
capturer de manière certaine le mode de
déformation caractéristique par bande de
cisaillement et toute la complexité de la
cinématique. Du point de vue de la mesure,
cela peut rendre le processus de traitement
complexe. Avec une approche basée sur un
maillage éléments-finis, telle que proposée
dans le logiciel EikoTwin DIC, le résultat
de mesure est directement associé à un
point de l’espace 3D de la pièce modèle. Il
n’y a pas de limite théorique sur le nombre
de caméras, qui contribuent chacune à la
mesure de déplacement des points qui sont
dans leurs champs de vision respectifs.
Suivi par 4 caméras de deux faces d’une
structure treillis pendant un essai de
compression – IRT Saint-Exupéry
ESSAIS & SIMULATIONS • N°139 • novembre-décembre 2019 I59