Essais & Simulations n°123
Les essais et la simulation face aux défis des composites
Les essais et la simulation face aux défis des composites
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
DOSSIER 18<br />
Les essais et<br />
la simulation<br />
face aux défis<br />
des composites<br />
<strong>Essais</strong> et modélisation 08<br />
Spécial bancs et machines d’essais<br />
Mesure 34<br />
Outils et pratiques dans le domaine<br />
des composites<br />
N° 123 • Décembre 2015 • 25 €
BOUSCULEZ LE PAYSAGE INDUSTRIEL<br />
INNOVEZ AVEC LE PROTOTYPAGE VIRTUEL<br />
Copyright © ESI Group, 2015 - G.OM.15.45A - Images courtesy of EADS Innovation Works, Dongfeng Motor Corporation, PPE.<br />
2 IESSAIS & SIMULATIONS • N°xxx • xxx 2015<br />
CRÉEZ LE PRODUIT DU FUTUR VIRTUELLEMENT:<br />
Fabriquer, tester et appréhender votre prototype virtuel.<br />
Obtenir le bon produit du premier coup.<br />
Réduire l’impact sur l’environnement.<br />
www.esi-group.com/innovate | innovate@esi-group.com
ÉDITORIAL<br />
Propulser l’automobile dans<br />
une nouvelle dimension<br />
Les récents scandales dont ont fait l’objet certains constructeurs,<br />
à commencer par Volkswagen et son « dieselgate » – mais aussi<br />
Renault – n’ont pas manqué d’entacher toute une ÿlière qui se<br />
trouve aujourd’hui à l’aube d’un tournant majeur.<br />
Olivier Guillon<br />
Rédacteur en chef<br />
« Il reste aux constructeurs de franchir<br />
le pas des composites. »<br />
Voitures connectées et autonomes n’attendant<br />
plus que l’aval des législations<br />
de leur pays pour pouvoir enÿn rouler<br />
librement, carburants « alternatifs »<br />
donnant lieu à des projets de recherche<br />
de plus en plus nombreux sur la pile à<br />
combustible ou encore l’hydrogène par exemple, électriÿcation quasi-systématique<br />
des modèles à venir… Les constructeurs doivent aujourd’hui<br />
se battre sur des terrains à la fois nouveaux et disparates ; le tout dans un<br />
cadre réglementaire qui promet de se durcir après la Cop21, et qui s’ajoute<br />
aux di° cultés d’un secteur tout juste rescapé de plusieurs années de crise.<br />
Mais cette révolution attendue de l’automobile, qui entend bien repenser<br />
une industrie reposant sur des process vieux de plus d’un siècle, s’accompagnera<br />
– ou non – de l’utilisation désormais massive (et non plus<br />
parcimonieuse) des matériaux composites. Alors que des projets visant<br />
à permettre à l’automobile de produire des pièces composites en grande<br />
série (et de façon rentable) sortent de terre, il reste aux constructeurs de<br />
franchir le pas et d’accepter de prendre un risque, reposant sur l’innovation<br />
de rupture, la vraie, celle qui propulsera, à l’image de Tesla pour<br />
les véhicules électriques, l’automobile dans une nouvelle ère. Mais qui<br />
tirera le premier ? Les dés sont jetés.●<br />
Olivier Guillon<br />
ÉDITEUR<br />
MRJ Informatique<br />
54, boulevard Rodin<br />
92130 Issy-les-Moulineaux<br />
Tel : 01 73 79 35 67<br />
Fax : 01 34 29 61 02<br />
www.maintenance-entreprise.fr<br />
/<br />
/@<br />
Direction :<br />
Michaël Lévy<br />
Directeur de publication :<br />
Jérémie Roboh<br />
Rédacteur en chef :<br />
Olivier Guillon<br />
COMMERCIALISATION<br />
Publicité :<br />
Patrick Barlier<br />
p.barlier@mrj-corp.fr<br />
Diffusion et Abonnements :<br />
vad.mrj-presse.fr<br />
Marina Drocci<br />
m.drocci@mrj-corp.fr<br />
Prix au numéro :<br />
25 €<br />
Abonnement 1 an :<br />
85 € / 4 numéros<br />
Étranger :<br />
100 €<br />
Règlement par chèque<br />
bancaire à l’ordre de MRJ<br />
RÉALISATION<br />
Conception graphique :<br />
Eden Studio<br />
Maquette :<br />
Nord Compo<br />
Impression :<br />
Pauker holding KFT<br />
11-15 Barros Utca<br />
H -1407 Budapest - Hongrie<br />
N°ISSN :<br />
1632 - 4153<br />
Commission paritaire :<br />
0 414 T 83 214<br />
Dépôt légal : à parution<br />
Périodicité : Trimestrielle<br />
Numéro : 123<br />
Date : décembre 1015<br />
RÉDACTION<br />
Ont collaboré à ce numéro :<br />
Jean-Philippe Godin (Polymesure),<br />
David Leigh Hudson (Siemens<br />
PLM Software), Ian McEnteggart<br />
(Instron), Patrick Morelle (LMS<br />
– groupe Siemens), F. Monsallier<br />
(ENSEIRB-Matmeca), Lambert<br />
Pierrat (LJ-Consulting & LJK-LAB),<br />
Frank Scheuch (AMG Intellifast<br />
GmbH Xxx, GCT)<br />
Comité de rédaction :<br />
Olivier Guillon (MRJ)<br />
Commission Revue de l’ASTE :<br />
André Coquery (responsable -<br />
MBDA France), Bernard Colomies<br />
(Sopemea), François Derkx (Ifsttar),<br />
Jean-Claude Frölich,<br />
Henri Grzeskowiak (HG Consultant),<br />
Michel-Roger Moreau, Joseph<br />
Merlet, Patrycja Perrin, Jean-Paul<br />
Prulhière (Metexo)<br />
Membre du réseau REPM-EMPN<br />
PHOTO DE COUVERTURE<br />
Centre technique de la plasturgie et<br />
des composites (PEP)<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I1
00-Couv_01_ES113_CS6_OSX.indd 1 14/01/2016 11:11<br />
sommaire<br />
DOSSIER COMPOSITES<br />
DOSSIER 18<br />
Les essais et<br />
la simulation<br />
face aux défis<br />
des composites<br />
<strong>Essais</strong> et modélisation 08<br />
Spécial bancs et machines d’essais<br />
Mesure 34<br />
Outils et pratiques dans le domaine<br />
des composites<br />
L’industrie face aux défis<br />
18<br />
des composites<br />
20 « Les composites représentent à eux seuls un véritable défi »<br />
22 Tirer parti des composites grâce à la simulation numérique<br />
26 Quand la tolérance aux dommages s’applique à l’industrie automobile<br />
29 Conception de structures en composites ou comment optimiser performance<br />
et fabricabilité<br />
31 Faire basculer les composites dans une nouvelle ère industrielle<br />
34 Vis Instrumentées et ultrasons : serrage des structures composites<br />
40 Strain Measurement Techniques for Composites Coupon Testing<br />
N° 123 • Décembre 2015 • 25 €<br />
Actualités<br />
4 Enova revient à Lyon début février<br />
4 Le JEC World s’invite à Villepinte<br />
début mars<br />
6 Une nouvelle zone à longue<br />
élongation pour Cesa Drones<br />
6 Mines ParisTech lance<br />
sa Spin-Off, Terra 3D<br />
<strong>Essais</strong><br />
& modélisations<br />
8 Socomec inaugure l’extension de<br />
son laboratoire d’essais<br />
10 Des machines d’essais toujours<br />
plus innovantes sur le marché<br />
14 Le banc de chocs thermiques<br />
d’Areelis désormais opérationnel<br />
16 Assurer le développement de<br />
machines d’essai de A à Z<br />
Mesure<br />
34 Vis Instrumentées et ultrasons :<br />
serrage des structures<br />
composites<br />
40 Strain Measurement Techniques<br />
for Composites Coupon Testing<br />
43 Études et traitements contre<br />
les nuisances sonores dans<br />
l’environnement<br />
44 L’Onera réduit ses temps d’essais<br />
grâce à des capteurs<br />
Vie de l’ASTE<br />
46 Assemblée générale et conseil<br />
d’administration de l’ASTE<br />
Formations 47<br />
Index 48<br />
2 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
nos DOSSIERS en 1 clin d’œil<br />
Essai<br />
Bancs et machines d’essai<br />
à l’épreuve des besoins<br />
de l’industrie p. 8 à 17<br />
Si la simulation numérique a pris une part croissante<br />
– pour ne pas dire majoritaire – dans les activités d’essais<br />
et de tests en environnement, les laboratoires industriels<br />
ont plus que jamais besoin de machines d’essais toujours<br />
plus précises et performantes.<br />
DOSSIER<br />
Les essais face aux défis<br />
des composites p. 18 à 33<br />
Mené en partenariat avec Siemens Industry Software, ce<br />
dossier spécialement consacré aux composites apporte<br />
au lecteur des cas d’application techniques et des retours<br />
d’expérience portant sur le recours à la simulation<br />
numérique comme point d’appui indispensable pour mener<br />
les phases de tests.<br />
MESURE<br />
Moyens de mesure<br />
et technologies<br />
pour les composites p. 34 à 45<br />
Le recours de plus en plus massif dans les matériaux<br />
composites bouleverse le monde des essais et de la<br />
simulation. Mais leur utilisation impacte également<br />
les métiers liés à la mesure et au contrôle, comme en<br />
témoignent les articles publiés dans ce numéro spécial JEC<br />
World 2016.<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I3
actualités<br />
en bref<br />
Un financement ANR<br />
pour un projet entre<br />
le laboratoire Lusac<br />
et Thales<br />
Un projet de recherche portant<br />
sur la fiabilité des composants en<br />
fonctionnement vient d’obtenir le<br />
financement de l’ANR pour une<br />
thèse sur l’analyse thermique des<br />
composants en fonctionnement<br />
par spectroscopie Raman. Dans<br />
le cadre de cette thèse, Thales<br />
souhaite déterminer avec précision<br />
la température de jonction des<br />
transistors de puissance qui<br />
seront utilisés dans les prochaines<br />
générations de radars. ●<br />
RMS rejoint la société<br />
Sysma<br />
RMS rejoint la société Sysma,<br />
fournisseur de solutions en<br />
systèmes d’acquisition et de<br />
pilotage de bancs d’essais. Le<br />
rapprochement des sociétés<br />
RMS, « Get the best out of your<br />
measurements ! » et Sysma,<br />
« Une écoute à votre mesure »,<br />
va permettre de proposer des<br />
solutions globales, depuis<br />
l’acquisition de mesures jusqu’au<br />
post-traitement d’une part, et<br />
depuis l’analyse des données<br />
d’environnement à la réalisation<br />
d’essais d’endurance personnalisés<br />
d’autre part. ●<br />
Résistance aux impacts<br />
et à la fatigue : la supériorité<br />
du Telene validée<br />
Le Département de génie des<br />
matériaux (université de Louvain)<br />
a établi que les composites sur<br />
matrice Telene montraient une<br />
résistance 50 % supérieure en<br />
tenue au choc et une durée de vie<br />
jusqu’à quatre fois supérieure en<br />
fatigue par rapport aux échantillons<br />
équivalents avec une matrice époxy,<br />
et ce tout en conservant la même<br />
résistance à la traction. ●<br />
Événement<br />
Enova revient à Lyon début février<br />
Enova, la plateforme des technologies<br />
et des services en électronique,<br />
embarqué, IoT, mesure,<br />
vision et optique, se tiendra<br />
pour la deuxième fois à Lyon en 2016. Les<br />
produits mis en avant lors d’Enova Lyon<br />
seront exposés autour de quatre univers<br />
technologiques : l’électronique/production/test/composants,<br />
l’électronique et les<br />
systèmes embarqués et communicants/<br />
M2M/objets connectés, la mesure/instrumentation/métrologie/vision<br />
et, enfin<br />
l’optique/photonique.<br />
Durant deux jours d’exposition, la<br />
deuxième édition d’Enova Lyon se tiendra<br />
les 10 et 11 février prochains. Réunissant<br />
près de 180 exposants, cet événement<br />
devrait accueillir pas moins de 2 000 visi-<br />
Rendez-vous<br />
Le JEC World s’invite<br />
à Villepinte début mars<br />
C’est un nouveau tournant pour le<br />
JEC World. Après avoir investi<br />
un étage supplémentaire l’an<br />
passé à la Porte de Versailles,<br />
la plus importante édition des JEC (celle<br />
de Paris) posera ses valises du 8 au 10 mars<br />
prochains au parc des expositions de Paris-<br />
Nord Villepinte. Plus de 1 300 exposants<br />
se retrouveront sur 62 000 m² afin de<br />
présenter aux 37 000 (environ) visiteurs<br />
d’un salon qui n’en fi it pas de grandir<br />
et qui couvre toute la chaîne de valeur<br />
des composites des matières premières<br />
aux produits intermédiaires ainsi que les<br />
industries utilisatrices fi ales telles que<br />
l’aéronautique, l’automobile, le BTP, l’énergie<br />
ou encore les sports et loisirs.<br />
JEC World fera la part belle à ces secteurs,<br />
en proposant pour la toute première fois<br />
teurs. Environ soixante-dix nouveautés et<br />
vingt-cinq conférences accompagnées de<br />
nombreuses rencontres d’affaires permettront<br />
d’asseoir ce salon comme un rendezvous<br />
majeur du secteur dans cette région<br />
au tissu industriel fort. Première région<br />
française de sous-traitance industrielle,<br />
Rhône-Alpes concentre aussi 25 % des<br />
activités dans le domaine de l’optique et<br />
de la photonique, et abrite de nombreux<br />
centres de R & D et laboratoires. ●<br />
quatre « planètes » organisées autour<br />
d’une galerie d’innovations mais aussi<br />
d’espaces de discussion et de réseau.<br />
Cette année, la république de Corée sera<br />
à l’honneur ; ces dernières années en<br />
effet, les entreprises coréennes ont été au<br />
premier plan de plusieurs développements<br />
notables dans le domaine des matériaux<br />
composites. ●<br />
4 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
© 2015 Siemens Product Lifecycle Management Software Inc. All rights reserved. Siemens and the Siemens logo are registered trademarks of Siemens AG. LMS is a trademark<br />
of Siemens Industry Software NV or any of its affiliates. All other logos, trademarks, registered trademarks or service marks belong to their respective owners.<br />
Watch<br />
the<br />
video<br />
Speed up the process from design to analysis to final manufacturing<br />
actualités<br />
Your industry partner to conquer<br />
the composite complexity.<br />
Introducing composite materials in more traditional<br />
manufacturing environments requires a multi-step and<br />
integrated development and production process. This is<br />
where the products in the Siemens PLM Software<br />
composite portfolio can help.<br />
Designed to let companies control and optimize the entire<br />
process, designers, analysts and manufacturing engineers<br />
will be supported every step of the way. Exchangeable<br />
data is archived in a common database to ensure design<br />
integrity. And an integrated development approach lets<br />
various teams access the information they need during<br />
the design and analysis process and optimize productivity<br />
using existing production planning and simulation tools.<br />
Need help? Look no further than the Siemens PLM<br />
Software composite portfolio for cost-effective, industrial<br />
solutions for successful composite design, analysis and<br />
manufacturing.<br />
For more information, please visit siemens.com/plm<br />
Visit us at JEC 2016, booth C39 in Hall 6<br />
March 8-10, 2016, Paris<br />
The Siemens PLM Software composite portfolio includes NX<br />
software, Fibersim software, LMS Samtech Samcef Composites<br />
software and LMS Virtual.Lab software.<br />
Realize innovation.
actualités<br />
en bref<br />
Une nouvelle version<br />
du logiciel Actran<br />
Free Field Technologies (FFT<br />
– groupe MSC Software) lance<br />
Actran 16, logiciel de simulation<br />
acoustique, vibroacoustique<br />
et aéro-acoustique. Parmi les<br />
nouveautés d’Actran 16 fi urent<br />
la propagation acoustique au<br />
sein de grands domaines et à des<br />
fréquences élevées, et de nouvelles<br />
capacités de modélisation en<br />
aéro-acoustique pour un prototypage<br />
virtuel rapide. Actran 16<br />
permet aussi la cosimulation avec<br />
d’autres outils de MSC Software. ●<br />
HBM optimise les mesures<br />
de couple sur bancs<br />
d’essais moteurs<br />
HBM Test and Measurement a<br />
conçu le système PMX, une plateforme<br />
de mesure précise et insensible<br />
au bruit, destinée aux bancs<br />
d’essais pour améliorer l’efficacité<br />
des moteurs. L’objectif de ce système<br />
est de répondre aux besoins des<br />
industriels d’améliorer les performances<br />
des moteurs d’aujourd’hui<br />
et de demain afin d’être conformes<br />
aux futures normes sur l’efficacité<br />
énergétique. ●<br />
Premiers pas dans<br />
le numérique avec Visiativ<br />
G. Chambert, le spécialiste de la<br />
mécanique industrielle implanté<br />
à Ennery (Val-d’Oise), a fait<br />
confiance à l’éditeur et intégrateur<br />
de solutions logicielles Visiativ<br />
pour relever le défi de sa transition<br />
numérique grâce à une offre 360°<br />
alliant outils de conception 3D et<br />
plateforme collaborative. G. Chambert<br />
souhaite aller plus loin dans<br />
l’introduction du digital pour identifier<br />
la commande client et suivre<br />
en temps réel la fabrication de<br />
chaque pièce. ●<br />
Inauguration<br />
Une nouvelle zone à longue<br />
élongation pour Cesa Drones<br />
La quatrième zone d’essais du Cesa*<br />
Drones inaugurée le 4 décembre<br />
dernier à Vendays-Montalivet<br />
(Gironde) complète désormais<br />
l’offre de terrains d’expérimentation offerts<br />
aux drones. Le site permet des évolutions<br />
hors vue (scénario S4 et scénario grande<br />
élongation) avec une élongation maximum<br />
de 50 kilomètres. À cette occasion, le drone<br />
de grande endurance Boreal (conçu par<br />
la société toulousaine AJS) a effectué son<br />
premier essai sur la nouvelle zone dans<br />
le cadre du projet Miriad (Système de<br />
mesures scientifiques de flux de surface en<br />
milieu maritime embarqué sur drone) pour<br />
le centre de recherche de Météo-France.<br />
Le quatrième terrain de Cesa Drones s’inscrit<br />
dans le développement de la filière aux<br />
côtés de la Fédération professionnelle du<br />
Modélisation 3D<br />
Mines ParisTech<br />
lance sa Spin-Off, Terra 3D<br />
Baptisée Terra 3D, cette entreprise<br />
se positionne sur un marché<br />
en plein développement de la<br />
cartographie mobile 3D laser au<br />
service de la mobilité urbaine. Elle emploie<br />
à ce jour quatre chercheurs de l’Ecole, sous<br />
la direction de Jacques Hersant, cofondateur<br />
de Terra 3D, spécialiste de la mobilité<br />
urbaine, et ambitionne plusieurs<br />
embauches d’ici 2017.<br />
Présentée pour la première fois à l’occasion<br />
des 25 e Rencontres nationales du transport<br />
public (du 30 septembre au 2 octobre<br />
dernier à Lyon), cette technologie permet<br />
la modélisation 3D avec une précision<br />
centimétrique de la voirie pour des applications<br />
d’enquêtes de stationnement, de<br />
bus, de rotation, mais également l’état du<br />
drone civil et en coordination avec la Direction<br />
générale de l’aviation civile (DGAC).<br />
Elle permet de tester, grandeur nature, les<br />
applications industrielles des drones et de<br />
mener des campagnes d’essais. ●<br />
* Centre d’essais et de services sur les systèmes autonomes<br />
(Cesa)<br />
mobilier urbain ainsi que le comptage et<br />
le « tracking » des piétons. Terra 3D s’appuie<br />
à la fois sur les résultats du projet de<br />
recherche FUI Terra Mobilita et les travaux<br />
du Caor, le centre de robotique de Mines<br />
ParisTech, notamment dans le domaine<br />
des systèmes de transport intelligent et le<br />
concept de route automatisée et sur ceux<br />
du Centre de morphologie mathématique<br />
(CMM). ●<br />
6 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
actualités<br />
Le groupe dB Vib œuvre à la réduction des nuisances sonores<br />
MESURES ET ETUDES ACOUSTIQUES<br />
ENVIRONNEMENT : BRUIT<br />
DE TRAFIC ET BRUIT<br />
INDUSTRIEL<br />
Etudes d’impacts, mesures, simulations cartes de<br />
bruit en avant projet ou pour le contrôle du res-<br />
pect des réglementations.<br />
BRUIT ET VIBRATIONS AU POSTE DE TRAVAIL<br />
Evaluation normative de l’exposition au bruit et<br />
aux vibrations des travailleurs : constitution des<br />
groupes d’exposition homogènes, dosimétrie bruit<br />
et vibrations, cartographie de bruit des ateliers,<br />
études et simulations, assistance à la définition du<br />
plan de réduction de l’exposition.<br />
ASSISTANCE A LA DEFINITION DES SOLUTIONS DE<br />
TRAITEMENTTEST DES MATERIAUX ACOUSTIQUES<br />
INGENIERIE - INSONORISATION<br />
ETUDES & CONCEPTION<br />
Etudes et modélisations des solutions<br />
Intégration des fonctionnalités<br />
Elaboration des plans et calculs nécessaires à la<br />
fabrication<br />
REALISATION<br />
Fabrication et assemblage des composants<br />
Coordination et suivi de chantier<br />
Installation des équipements<br />
RECEPTION<br />
Vérification des garanties contractuelles<br />
CAPOTAGES ET CABINES ACOUSTIQUES<br />
PORTES ACOUSTIQUES - CLOISONS FIXES OU MOBILES<br />
TRAITEMENTS ACOUSTIQUES DES MURS ET PLAFONDS<br />
SILENCIEUX ET PIÈGES À SONS
essais et modélisation<br />
Reportage<br />
Socomec<br />
inaugure l’extension de<br />
son laboratoire d’essais<br />
Après quatre ans d’évolution et une extension de 500 m², le laboratoire Tesla Power Lab de la<br />
société alsacienne Socomec a officiellement été inauguré en novembre dernier. La rédaction<br />
d’<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> s’est rendue sur place pour visiter le deuxième laboratoire d’essais de<br />
puissance indépendant d’Europe.<br />
Pour Ivan Steyert,<br />
P-DG de Socomec, ce<br />
laboratoire représente<br />
un symbole fort.<br />
Le nom Tesla résonne aux quatre coins de la planète<br />
grâce au succès fulgurant des prestigieuses voitures<br />
100 % électriques d’Elon Musk. Mais Tesla (prénom :<br />
Nikola), c’est d’abord un inventeur de génie né sous<br />
l’Empire austro-hongrois il y a cent cinquante ans et mort à New<br />
York en 1943 ; auteur de plus de 300 brevets et 125 innovations<br />
majeures, comme l’idée d’exploiter le courant alternatif et l’utilisation<br />
de transformateur pour la distribution d’électricité, ce<br />
père fondateur de l’électricité moderne est également l’inventeur<br />
de la bobine tesla (transformateur haute fréquence) utilisée<br />
pour la radiodiffusion et la télévision mais aussi de la transmission<br />
sans fil… bien avant l’heure ! Tesla, c’est aussi le nom du<br />
laboratoire de tests d’équipements électriques créé par l’entreprise<br />
Socomec, lequel n’a cessé d’évoluer depuis un demi-siècle,<br />
et faisant l’objet de près de 4 millions d’euros d’investissements<br />
depuis quatre ans (et d’1,5 M€ rien qu’en 2015).<br />
Officiellement inauguré le 19 novembre dernier à Benfeld, à une<br />
trentaine de kilomètres de Strasbourg, ce laboratoire d’essais a<br />
bénéficié d’une extension de 500 m² et de nouveaux équipements.<br />
Objectif de Socomec : mettre à la disposition des industriels<br />
un laboratoire d’essais unique, ou presque ; « avec le Tesla<br />
Power Lab, seuls deux laboratoires de ce type existent en Europe »,<br />
indique le responsable de la structure, Dominique Marbach.<br />
Surtout, appuyé par les organismes de certification Dekkra et<br />
UL, le laboratoire est accrédité et revêt un caractère totalement<br />
indépendant. Tout industriel, y compris les entreprises concurrentes<br />
de Socomec, est assuré de l’impartialité des essais et de<br />
l’entière confidentialité des opérations et des résultats.<br />
un symbole fort pour Socomec<br />
L’inauguration du deuxième laboratoire de puissance en France<br />
(qui atteint 100 000 ampères), est « un symbole fort » pour le<br />
P-DG de Socomec, Ivan Steyert ; « ce laboratoire illustre notre<br />
cœur de savoir-faire : la conversion d’énergie, la coupure de l’arc<br />
électrique et la mesure pour améliorer la qualité du réseau ». Le<br />
Tesla Power Lab regroupe ainsi en un seul et même lieu l’ensemble<br />
des moyens de tests et les plateformes d’essais et de<br />
conformité des produits par rapport aux normes en vigueur, à<br />
la fois françaises et internationales (n’oublions pas que Socomec<br />
consacre 75 % de son chiffre d’affaires à l’export). Au total,<br />
un millier de tests sont effectués chaque année pour certifier<br />
les produits électriques et les armoires basse tension, et pas<br />
moins de 4 000 tests de court-circuit ont lieu sur des plateformes<br />
d’échauffement, de surcharge et d’endurance.<br />
Le Tesla Power Lab se compose de plusieurs stations, à<br />
commencer par la station d’essai d’endurance électrique dans<br />
laquelle la trentaine de personnes qu’abrite le laboratoire réalise<br />
des opérations de vieillissement des équipements. Une salle<br />
de charges permet quant à elle de régler les paramètres de<br />
charges réelles et en application réelle, et une salle d’endurance<br />
mécanique a pour objet d’accélérer le vieillissement du<br />
produit et d’en tester sa fiabilité et sa robustesse ; ce laboratoire<br />
concerne les phases de développement. Des stations d’échauffement<br />
de 3 000, 6 000 et 12 000 ampères donnent la possibilité<br />
« Le laboratoire Tesla est accrédité et revêt<br />
un caractère totalement indépendant. »<br />
8 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
essais et modélisation<br />
Test d’étanchéité sur un produit<br />
électronique.<br />
à partir de l’effet<br />
joule produit par le<br />
passage du courant<br />
électrique, de tester<br />
des produits plus<br />
complexes telles<br />
que des armoires<br />
électriques allant<br />
jusqu’à 6 mètres de<br />
long. Autre moyen<br />
significatif, une<br />
station court-circuit<br />
atteignant<br />
100 000 ampères et<br />
mettant en œuvre<br />
un réseau indépendant<br />
via un alternateur<br />
et un moteur<br />
capable d’entraîner<br />
10 tonnes à 3 000 tr/min. Cet équipement permet de créer<br />
des courts-circuits et de tester le comportement du produit<br />
mais aussi de déterminer les causes provoquant des défauts<br />
d’isolement électrique.<br />
DES ESSAIS D’INVESTIGATION AUX TESTS<br />
EN PHASE DE DÉVELOPPEMENT<br />
Après avoir traversé la salle de pilotage à partir de laquelle on<br />
paramètre les machines et on établit les différentes séquences<br />
d’essais successives avant d’en recueillir les résultats sous la<br />
forme d’un oscillogramme, on pénètre dans la partie consacrée,<br />
comme son nom l’indique, aux « investigations » ; ici,<br />
plusieurs salles se succèdent et abritent des équipes et des<br />
moyens chargés d’observer les phénomènes mécaniques<br />
qu’il est impossible de détecter par des procédés classiques.<br />
Une caméra rapide (20 000 images par seconde) permet<br />
par exemple de surveiller le déplacement au ralenti d’un<br />
arc électrique.<br />
On y trouve également une salle destinée à tester les niveaux de<br />
protection (à tout corps étranger, humain ou à l’eau) de produits<br />
en cours de développement ; « on crée autour du produit un<br />
nuage de poussière pendant plusieurs heures afin de s’assurer<br />
qu’il n’est sujet à aucune infiltration », indique Mathias Rémy,<br />
membre de l’équipe du Tesla Lab. Il en est de même pour l’eau :<br />
dans une autre pièce, on réalise grâce à un système en boucle<br />
fermée (via une pompe automatique) des tests d’étanchéité<br />
sur un produit électronique en l’aspergeant d’eau avec un débit<br />
de pas moins de 240 litres par minutes ! « On réalise ainsi des<br />
simulations d’arrosage, de condensation ou de forte pluie », poursuit<br />
l’ingénieur d’essai. Des opérations de flexion et de traction<br />
ont également lieu au sein du laboratoire ; on simule une<br />
personne s’accrochant à un câble grâce à des haltères que l’on<br />
« 90 % des développements du Tesla Lab<br />
ont été réalisés en interne. »<br />
Un nuage de poussière afin de tester les niveaux<br />
de protection d’un équipement.<br />
met en rotation pendant des centaines d’heures. Illustration<br />
même du savoir-faire du groupe : ces différents développements<br />
(pour 90 % d’entre eux) ont été réalisés en interne, par<br />
les équipes de Socomec. ●<br />
Olivier Guillon<br />
Conception & réalisation de machines d’essais spéciaux<br />
Développement & mise au point de démonstrateurs (TRL≤6)<br />
Traction - compression Tribomètre Roulements / paliers<br />
Etanchéité – débit air<br />
Réducteur prototype<br />
Combustion<br />
Banc moteur<br />
Carburant / huile<br />
AKIRA Technologies – 17 chemin de la Galupe – ZA Saint Frédéric – 64100 Bayonne<br />
05 59 50 11 39 – info@akira-technologies.fr<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • décembre 2015 I9
essais et modélisation<br />
Entretien<br />
Des machines d’essais<br />
toujours plus innovantes sur le marché<br />
Dans ce dossier consacré aux bancs et aux machines d’essais, il a semblé important pour la<br />
rédaction de donner la parole à Jean-Louis Lafoeste, spécialiste des essais et de l’analyse des<br />
matériaux au sein d’un grand constructeur mondial, Shimadzu. Il revient sur l’évolution et les<br />
progrès de technologies de plus en plus utilisées dans l’industrie.<br />
Jean-Louis Lafoeste,<br />
spécialiste Caractérisation<br />
des matériaux chez Shimadzu<br />
<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong> : Présentez-vous en quelques mots,<br />
votre rôle au sein de la société et votre parcours…<br />
Jean-Louis Lafoeste : J’ai une formation initiale d’ingénieur en<br />
physique des matériaux et j’ai rejoint Shimadzu France en 2007<br />
pour la vente d’instruments d’analyse élémentaire et de spectroscopie.<br />
En 2009, le groupe Shimadzu, l’un des quatre principaux<br />
constructeurs mondiaux fabriquant des machines d’essais depuis<br />
1917, a décidé que ses machines devaient aussi être proposées<br />
en France. On m’a donc chargé de lancer cette gamme à partir<br />
de 2010. Le succès ne s’est pas fait attendre et dès mi-2011 un<br />
nouveau collègue a pu être embauché… Aujourd’hui, après cinq<br />
années de croissance, près de 200 machines ont déjà été installées<br />
et nous sommes désormais quatre commerciaux pour répondre<br />
aux demandes du marché français.<br />
Pouvez-vous nous définir tout d’abord ce que l’on appelle<br />
une machine d’essai et quels en sont les différents types ?<br />
Chez Shimadzu, la définition opérationnelle est très large<br />
puisque la gamme « machines d’essais » regroupe tout ce<br />
qui n’est ni chromatographie, ni spectroscopie ! Et donc<br />
par exemple, la granulométrie laser se trouve rattachée<br />
aux machines d’essais. Pour nos clients, en revanche, la<br />
définition est souvent un peu plus étroite et se limite aux<br />
techniques de caractérisation de matériaux par l’applica-<br />
tion d’une force ou d’un couple de torsion. Cela comprend<br />
les machines de microdureté ou d’indentation dynamique<br />
(effets d’une force appliquée sur un indenteur), les rhéomètres<br />
capillaires et les extrudeuses de laboratoire pour<br />
optimiser la mise en œuvre des polymères, les caméras<br />
pour les essais rapides (impacts, détonations, arcs électriques…)<br />
ou encore – et surtout – les machines de traction,<br />
compression, flexion, pelage ou cisaillement…<br />
Ces machines de traction-compression sont dites « dynamiques<br />
» quand elles sont destinées aux essais de fatigue<br />
(application d’un très grand nombre de cycles de chargement-déchargement<br />
avant la rupture de l’échantillon) ou<br />
« statique » pour les essais en un seul ou peu de cycles. Pour<br />
l’application de la force, les machines dynamiques utilisent<br />
le plus souvent un vérin hydraulique, mais on trouve aussi<br />
des machines sans huile pour les faibles capacités ou les très<br />
hautes fréquences. En revanche, les machines statiques sont<br />
essentiellement électromécaniques (vis à billes pour déplacer<br />
une traverse mobile) à l’exception des plus anciennes ou<br />
des très grosses capacités qui restent hydrauliques.<br />
À quoi ces machines servent-elles<br />
et où les trouve-t-on ?<br />
Beaucoup de machines statiques sont utilisées sur des sites<br />
industriels pour garantir la qualité des productions. Cela<br />
concerne des essais de texture dans l’agroalimentaire, des<br />
mesures de déformations sur des câbles ou des tôles et<br />
surtout des vérifications de la force maximale supportée<br />
par toutes sortes de pièces et assemblages en plastiques,<br />
élastomères ou métaux.<br />
En R & D, depuis toujours les machines statiques ou dynamiques<br />
servent à optimiser les procédés d’élaboration des<br />
matériaux en quantifiant précisément l’influence sur les<br />
propriétés mécaniques de toute variation de la composition<br />
ou des conditions de production. De plus en plus, elles<br />
servent aussi à produire des données fiables pour les logiciels<br />
de CAO, puis à vérifier sur les premiers prototypes que<br />
10 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
essais et modélisation<br />
« La première fois que j’ai utilisé une machine<br />
d’essai, c’était en 1984, dans le cadre d’un<br />
projet de fin d’études. Cette machine ne<br />
comportait qu’un enregistreur graphique, c’està-dire<br />
du papier millimétré. »<br />
les simulations numériques de la résistance et de la durabilité<br />
en fatigue étaient correctes.<br />
Quelques mois plus tôt, en 1983, Shimadzu avait lancé son<br />
Autograph AG-A, la première machine au monde pilotée par<br />
un ordinateur ! Depuis cette date, plusieurs générations de<br />
logiciels, de plus en plus conviviaux, se sont succédé. Simultanément,<br />
les électroniques d’asservissement se sont beaucoup<br />
perfectionnées et, par exemple, notre modèle AG-X<br />
Plus lit 300 000 fois par seconde la valeur du capteur de<br />
force afin de pouvoir réguler finement le mouvement de<br />
la traverse et assurer un pilotage de l’essai aussi régulier en<br />
force ou en contrainte qu’en déplacement.<br />
Comment ont évolué ces technologies et quelle place<br />
occupent-elles aujourd’hui dans l’industrie ?<br />
Comme beaucoup de secteurs, les machines d’essais ont bénéficié<br />
de l’arrivée de l’informatique et des progrès de l’électronique.<br />
Je me souviens de la première fois que j’ai utilisé une machine<br />
d’essai, c’était en 1984, dans le cadre d’un projet de fin d’études à<br />
l’Insa de Lyon. Cette machine ne comportait qu’un enregistreur<br />
graphique, c’est-à-dire du papier millimétré qui avançait à vitesse<br />
constante sous une pointe de feutre se déplaçant perpendiculairement,<br />
en proportion de la force mesurée par le capteur. À la fi<br />
de l’essai, on calculait la force maximale en tant que pourcentage<br />
de la pleine échelle du capteur, et la déformation de l’échantillon<br />
à partir des vitesses relatives de la traverse mobile et du papier.<br />
Caméra rapide Hyper Vision<br />
www.mpihome.com<br />
<strong>Essais</strong> acoustiques et vibratoires :<br />
des solutions précises et fiables<br />
m+p international propose des produits performants pour le contrôle<br />
des vibrations ainsi que pour l’analyse acoustique et vibratoire.<br />
Des configurations de 4 à plusieurs centaines de voies d’acquisition<br />
sont possibles. Nos prestations incluent les formations, le consulting<br />
et le support technique.<br />
Pilotage de pot vibrant<br />
<strong>Essais</strong> de choc<br />
Mesure et analyse de signaux<br />
Analyse de structure<br />
Analyse modale<br />
Analyse acoustique<br />
m+p international Sarl<br />
5, rue du Chant des Oiseaux<br />
78360 Montesson<br />
Tel : (+33) (0)130 157874<br />
sales.fr@mpihome.com<br />
www.mpihome.com<br />
industrial_automation_1/15_fr.indd 1 09.02.15 09:15
essais et modélisation<br />
Série Autograph AG-X plus<br />
L’ergonomie du logiciel Trapezium X est<br />
dès lors plus évidente, à tel point que<br />
plus aucun utilisateur ne demande qu’on<br />
lui développe une méthode d’essai selon<br />
telle ou telle norme ; il la fait lui-même en<br />
quelques minutes. Avec ce logiciel, dans<br />
un environnement économique qui se<br />
mondialise de plus en plus, chaque PME<br />
peut facilement respecter les diverses<br />
normes ISO, ASTM ou JIS que chacun de<br />
ses clients lui demandera d’utiliser.<br />
Parlez-nous de l’Hyper Vision ; quelles<br />
avancées procure cette caméra rapide ?<br />
Lors d’un essai de traction sur un matériau<br />
ductile traditionnel, on voit la force<br />
plafonner, puis un point de striction<br />
apparaître et s’amincir durant plusieurs<br />
secondes. Avec les nouveaux composites<br />
structuraux, l’échantillon paraît intact<br />
puis, l’instant d’après, on voit des fibres<br />
déchirées un peu partout, mais aucun<br />
observateur ne peut dire d’où est partie<br />
la rupture !<br />
Quels exemples d’innovation significatifs que les fabricants<br />
tels que Shimadzu proposent-ils aujourd’hui ?<br />
Des technologies aussi matures sont peu propices à l’annonce<br />
d’une innovation majeure chaque matin, mais je citerai deux<br />
améliorations utiles pour les utilisateurs. À l’époque des enregistreurs<br />
graphiques ou des premiers convertisseurs analogiques-numériques,<br />
les mesures en dessous d’1/20 ou 1/50<br />
de la valeur nominale du capteur de force étaient toujours<br />
bruitées et l’on devait obligatoirement changer de capteur<br />
pour des mesures précises à faibles forces. Quand la qualité<br />
des convertisseurs disponibles s’est fortement améliorée,<br />
Shimadzu a retravaillé la conception de tous ses capteurs<br />
afin de pouvoir garantir une linéarité en classe 0,5 jusqu’à<br />
1/500 ou 1/1 000 de leur valeur nominale. C’est utile non<br />
seulement pour mesurer le module élastique des polymères<br />
peu réticulés dont le domaine plastique commence très tôt,<br />
mais aussi et surtout pour éviter aux opérateurs de perdre<br />
leur temps à monter et démonter des capteurs de capacités<br />
différentes pour chaque échantillon.<br />
« En contrôle qualité, la facilité d’utilisation et<br />
l’automatisation des transferts et des partages<br />
de données ou de résultats d’essais pourrait<br />
encore s’accroître. »<br />
Pour le savoir, il faut pouvoir enregistrer le phénomène avec<br />
une caméra ultrarapide et repasser les images au ralenti. Hélas,<br />
les caméras rapides traditionnelles transfèrent les images une<br />
à une, au fur et à mesure de l’acquisition. Ainsi, lorsqu’il ne<br />
reste plus que quelques dixièmes de microseconde entre deux<br />
images, celles-ci ne peuvent guère transmettre plus de quelques<br />
lignes de peu de points. Cette résolution est souvent insuffisante<br />
pour comprendre le mécanisme ou valider un logiciel<br />
de simulation.<br />
Nous avons donc développé la caméra HPV-X autour d’un<br />
capteur capable de stocker une séquence d’images en pleine<br />
résolution qui seront ensuite transférées lorsque l’acquisition<br />
sera terminée. Notre HPV-X constitue un outil irremplaçable<br />
pour observer, comprendre, puis modéliser avec fiabilité, tout<br />
phénomène trop rapide pour l’œil humain.<br />
Et en ce qui concerne votre machine de fatigue haute<br />
fréquence, l’USF-2000 ?<br />
Avec une machine de fatigue traditionnelle, qui ne dépasse guère<br />
20 Hz, il faut déjà près de six jours pour faire 10 7 cycles et il est<br />
donc peu réaliste de vouloir continuer jusqu’à 10 9 ou 10 10 cycles.<br />
Pourtant, avec certains matériaux à hautes performances, après un<br />
grand nombre de cycles sous une contrainte nettement plus faible,<br />
on observe un autre mode de fissuration d’origine interne. Pour<br />
choisir sans risque la matière d’une pièce de sécurité soumise<br />
à un très grand nombre de vibrations, il faudrait donc pouvoir<br />
12 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
essais et modélisation<br />
À quelles innovations peut-on s’attendre dans les années à venir ?<br />
tracer sa courbe de Wöhler jusqu’à 10 10 cycles. C’est ce que permet<br />
notre machine USF-2000 en travaillant à 20 kHz, soit 1 000 fois<br />
plus vite, sur des éprouvettes de l’alliage à valider.<br />
Depuis la fondation de la société par Genzo Shimadzu, notre<br />
philosophie n’est pas de rechercher la nouveauté pour ellemême,<br />
mais plutôt d’innover pour satisfaire les véritables<br />
besoins de nos clients. En contrôle qualité, la facilité d’utilisation<br />
et l’automatisation des transferts et des partages de données<br />
ou de résultats d’essais pourrait encore s’accroître.<br />
Dans le domaine de la R & D, l’utilisation croissante de composites<br />
très anisotropes, dont le comportement est parfois peu<br />
linéaire, devrait augmenter la demande pour des dispositifs<br />
d’essais multiaxiaux associés à de l’extensométrie vidéo<br />
et un jour, à de la corrélation d’image en temps réel capable<br />
de piloter séparément les sollicitations selon chaque axe.<br />
Cela constituerait une généralisation de la norme actuelle ISO<br />
6892-2009 qui demande d’asservir le mouvement de la traverse<br />
mobile selon la mesure par un extensomètre. ●<br />
Propos recueillis par Olivier Guillon<br />
ou les logiciels qui les composent ne sont<br />
plus supportés.<br />
publi‐COmmuniqué<br />
Comment préserver LA bONNE<br />
santé de votre laborATOIre<br />
d’essais ?<br />
Dans un monde de plus en plus compétitif,<br />
il est essentiel d’obtenir le meilleur de vos<br />
équipements d’essai. Vos machines d’essais<br />
sont-elles fiables ? Les utilisez-vous efficacement<br />
? Répondez-vous aux besoins de<br />
vos clients ? C’est en répondant à ces questions<br />
qu’Instron a imaginé un programme<br />
d’évaluation de l’état de santé et de modernisation<br />
des laboratoires d’essais de ses<br />
clients. En effet, de nombreux laboratoires<br />
sont aujourd’hui menacés d’obsolescence,<br />
alors que les composants électroniques<br />
Augmentez la répUTATION de<br />
votre laborATOIre<br />
Une machine d’essai peu performante<br />
ou à la fiabilité aléatoire peut affecter les<br />
performances et la réputation de votre laboratoire.<br />
La productivité réside dans l’utilisation<br />
sûre et efficace de vos machines d’essai.<br />
Êtes-vous en mesure de vous adapter aux<br />
demandes de vos clients et à leurs matériaux<br />
qui évoluent de plus en plus vite ?<br />
Mieux comprendre ces éléments permet<br />
d’augmenter la satisfaction des utilisateurs<br />
et les performances de votre laboratoire.<br />
Maîtrisez les risques<br />
par la planifICATION<br />
Il existe plusieurs manières économiques<br />
d’améliorer et de moderniser vos machines<br />
existantes. Découvrez comment les technologies<br />
les plus récentes peuvent vous<br />
aider à travailler sur de nouveaux matériaux<br />
et à gagner de nouveaux marchés.<br />
En planifiant la modernisation de votre<br />
laboratoire dès maintenant, vous éviterez<br />
l’indisponibilité inattendue et prolongée<br />
de vos machines, vous maîtriserez mieux<br />
les coûts de maintenance, réduirez les<br />
risques d’indisponibilité et pourrez justifie<br />
de l’investissement dans des logiciels<br />
et un système de pilotage modernes.<br />
>> Pour en savoir plus, contactez Instron au 01 39 30 66 30 ou sur www.instron.com<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I13
essais et modélisation<br />
Régions<br />
Le banc de chocs thermiques<br />
d’Areelis désormais opérationnel<br />
À l’occasion de la présentation de ses « pépites » le 24 novembre dernier à l’Insa*<br />
de Rouen, le pôle Normandie Aerospace (NAE) a mis en avant la société Areelis Technologies<br />
et tout particulièrement son banc de chocs thermiques extrêmes destinés aux systèmes<br />
mécatroniques.<br />
L’objectif de ce système d’essais est de soumettre les<br />
composants à de fortes variations de température.<br />
« Nous avons cherché à concevoir un banc d’essai<br />
servant à modéliser d’importants chocs thermiques, en<br />
particulier dans le domaine de l’aviation, précise Éric Rouland,<br />
gérant d’Areelis Technologies. Si des solutions existent déjà,<br />
l’idée était d’aller plus loin en prenant en compte des écarts<br />
allant de 300° à – 150.° » Premiers secteurs visés : l’aéronautique,<br />
l’aérospatial et, dans une moindre mesure, l’automobile.<br />
« Le point critique réside dans le passage du point chaud<br />
au point froid, poursuit Éric Rouland. Il faut à tout prix éviter<br />
qu’en ouvrant la trappe, lors de la phase d’essai, le champ chaud<br />
ne vienne perturber le froid. Dans le cas de notre banc, un pont<br />
thermique relie les deux enceintes, assurant la parfaite homogénéité<br />
des températures, permettant ainsi de meilleures mesures<br />
Dans le cas de ce banc, un pont<br />
thermique relie les deuxenceintes,<br />
assurant la parfaite homogénéité<br />
des températures.<br />
des chocs thermiques. » Plus précisément, l’air ventilé à mouvement<br />
rotationnel dans la partie chaude et l’air soufflé tangentiellement<br />
à faible vitesse dans la partie froide assure cette<br />
contiguïté des deux enceintes.<br />
À peine une seconde suffit pour opérer un transfert d’ambiance<br />
de 300° à – 150° sur des équipements et des composants<br />
mécatroniques. Dans l’optique d’améliorer la fiabilité<br />
des composants électroniques embarqués dans des environnements<br />
sévères, l’objectif de ce banc est de réaliser,<br />
à moindre coût et dans un laps de temps très court, de<br />
très fortes variations de température et de façon cyclée.<br />
« Cela répond à la nécessité pour l’aérospatial de savoir<br />
comment faire pour qu’un système reste fonctionnel lorsqu’il<br />
est soumis à fortes contraintes thermiques, ajoute<br />
le gérant d’Areelis. Les industriels sont confrontés à des<br />
problématiques de montée en température, de vibrations<br />
et de CEM sur des composants électroniques de plus en<br />
plus nombreux et positionnés à proximité du moteur par<br />
exemple. »<br />
Un banc dOTé de pLUSIEUrs innovations<br />
majeures<br />
C’est dans le cadre du projet Siemstack, mené avec la société<br />
Hypertac (fournisseur normand de systèmes d’interconnexion),<br />
qu’Areelis Technologies a réalisé le TheS (Thermal Shock). Ce banc<br />
est doté de plusieurs innovations : contiguïté des deux enceintes<br />
de températures extrêmes tout en évitant les échanges thermiques<br />
entre elles, coupure des ponts thermiques, matériaux à hautes<br />
performances d’isolation (céramiques, briques réfractaires, Peek),<br />
usinables et économiques, échangeur thermique azote liquide/air<br />
avec sortie conique côté air, ou encore des outils avancés de modélisation<br />
numérique pour les aspects thermiques.<br />
Par ailleurs, en collaboration avec l’Insa de Rouen et le<br />
Groupe de physique des matériaux (GPM), Areelis Technologies<br />
travaille également sur les variations de température<br />
de matériaux de changement de face, comme des gels très<br />
denses, à mi-chemin entre l’état solide et liquide. Ce type de<br />
solution répond à une demande spécifique des équipements<br />
électroniques.<br />
14 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
essais et modélisation<br />
INDUSTRIE PARIS<br />
LE SALON DES TECHNOLOGIES DE PRODUCTION<br />
4-8 AVRIL 2016<br />
PARIS NORD VILLEPINTE<br />
« Le banc doit répondre aux problématiques<br />
des industriels confrontés à des montées<br />
en température, de vibrations et de CEM<br />
sur des composants électroniques de plus<br />
en plus nombreux. »<br />
À peine une seconde suffit pour opérer<br />
un transfert d’ambiance de 300° à – 150°<br />
sur des composants mécatroniques.<br />
Le futur de l’Industrie<br />
se construit aujourd’hui !<br />
50 filières<br />
représentées<br />
25 000<br />
donneurs d’ordres<br />
1000<br />
exposants<br />
9 parcours<br />
technologiques<br />
60 000 m²<br />
d’exposition<br />
Réalisation de 500 cycles d’une heure<br />
À ce jour, le banc est fonctionnel. « Même s’il n’a pas été encore<br />
“packagé”, ce banc fait déjà ses preuves au sein d’une société et<br />
respecte les objectifs fi és par celle-ci », affirme Éric Rouland,<br />
avec la possibilité, notamment, de réaliser près de 500 cycles<br />
d’une heure. Si pour le moment le TheS ne peut être utilisé que<br />
sur des équipements électroniques de petites tailles (10 cm³), des<br />
développements prochains porteront sur sa capacité à tester des<br />
produits trois plus volumineuses et à équiper le banc d’une arrivée<br />
de fluide et de gaz (développement dans le cadre du projet Crios,<br />
solution de refroidisseur miniature pour composants électroniques<br />
en environnement sévère). Pour l’heure, le banc va surtout<br />
servir de démonstrateur à la société d’études et d’ingénierie et<br />
à son savoir-faire de haut niveau destiné à créer des moutons à<br />
cinq pattes dans le domaine des bancs d’essais. ●<br />
Avec le soutien du<br />
* Institut national des sciences appliquées<br />
Olivier Guillon<br />
WWW.INDUSTRIE-EXPO.COM<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I15
essais et modélisation<br />
Reportage<br />
Assurer<br />
le développement<br />
de machines d’essai<br />
de A à Z<br />
Portée par une croissance soutenue grâce à la production de bancs d’essais spéciaux, la<br />
société Akira Technologies (CA : 3,5 m€) emploie à ce jour vingt-cinq personnes, dont près de<br />
la moitié répartie à travers deux bureaux d’études. Visite de cette entreprise basque qui met au<br />
point et utilise ses propres moyens d’essais pour le développement d’autres produits tels que<br />
des moteurs à pistons pour la compétition.<br />
À<br />
quelques kilomètres du centre-ville de Bayonne,<br />
bien connu pour l’agitation de ses fêtes annuelles<br />
et de l’ambiance festive qui règne l’été, se tient l’un<br />
des concepteurs et fabricants français de machines<br />
d’essais spéciaux. « Ici, nous concevons uniquement des prototypes<br />
dont le but est de répondre à des besoins spécifique »,<br />
précise David Lalanne, ingénieur commercial au sein d’Akira<br />
Technologies. Fondée il y a une douzaine d’années par quatre<br />
associés, cette société était au départ spécialisée dans les<br />
moteurs à pistons pour la moto de compétition. Elle s’est<br />
ensuite élargie aux machines et aux bancs d’essais ainsi qu’à<br />
l’ingénierie couvrant l’accompagnement technique, les prestations<br />
de calcul et d’essai (en souffleri notamment), le retrofit<br />
et la remise à niveau de bancs ou encore l’implication de<br />
l’entreprise dans des projets R & D tels qu’issus du Conseil<br />
pour la recherche aéronautique civile (Corac)*.<br />
Banc d’endurance et de caractérisation de rotules d’hélicoptères<br />
Une activité fortement ancrée dans le secteur<br />
aéronautique<br />
De nombreux secteurs sont concernés par les activités d’Akira<br />
(compétition automobile, roulements industriels, moteurs, lubrifiants,<br />
produits de loisir) mais, sans surprise, au regard de l’importance<br />
de ce secteur en France et dans le monde, le fabricant travaille<br />
en grande partie pour l’aéronautique. S’adressant aux industriels<br />
pour tous types de moyens d’essais (allant des bancs génériques<br />
aux bancs moteurs en passant par les puits de chute, les essais de<br />
traction, de compression ou de flexion, la tribologie, les essais électriques<br />
et la mesure d’étanchéité – débit, l’hydraulique, la combustion…),<br />
Akira a déjà signé de nombreux développements pour<br />
l’aéronautique, en particulier avec les entités du groupe Safran,<br />
Ratier-Figeac ou encore Liebherr-Aerospace.<br />
Les équipes d’Akira Technologies ont développé par exemple<br />
un multiplicateur instrumenté pour un banc de test de moteur<br />
électrique chez Labinal ; « plutôt que d’acquérir un nouveau<br />
banc, nous avons choisi, avec notre client, d’adapter son banc<br />
existant en le rendant capable de tester les nouveaux produits »,<br />
explique David Lalanne. Des bancs pour amortisseurs et de<br />
développement sont également sortis de cet atelier de 300 m²,<br />
et toujours accompagnés d’un logiciel de pilotage conçu en<br />
interne à partir de LabView ou d’autres logiciels en fonction<br />
des besoins et de la volonté du client. Avec Ratier-Figeac,<br />
Akira a conçu un banc de production pour des essais<br />
de vérin de porte-avions, capable notamment de tester les<br />
fonctions d’azote sous pression chargées d’ouvrir les portes<br />
en cas d’urgence. Autre exemple, Akira a fourni à Lauak un<br />
banc de mesure d’étanchéité pour les becs de voilure l’aidant à<br />
répondre à une demande de son client ; « nous avons travaillé<br />
ensemble et mis au point un logiciel permettant à l’opérateur<br />
de production de relier simplement le banc à l’équipement à<br />
tester puis générer automatiquement le PV au format exigé<br />
par l’avionneur ».<br />
16 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
essais et modélisation<br />
« Nous concevons des prototypes dont le but est<br />
de répondre à des besoins spécifiques. »<br />
À LA fOIS cONcEpTEUr ET UTILISATEUr dE SES<br />
prOprES dévELOppEMENTS<br />
Outre l’aéronautique, les exemples d’application sont nombreux<br />
et vont de la mise au point d’un chariot couplemètre pour<br />
étalonner un banc dans l’automobile au développement d’un<br />
banc d’essai de fle ion rotative. D’autres applications concernent<br />
quant à elles la tribologie et la conception d’un banc d’endurance<br />
de roulements pour SKF ou de roulements à billes en<br />
environnement sévère. Pour NTN SNR, Akira Technologies a<br />
réalisé un banc pour tester les aciers de fabrication des roulements.<br />
Mais l’entreprise travaille aussi pour le compte de Décathlon<br />
et ses différentes marques comme Caperlan pour laquelle<br />
l’atelier a mis au point un banc d’essai de moulinet de pêche,<br />
Tribord pour le développement d’un banc dynamométrique<br />
chargé d’étirer les fibres textiles, ou encore ce rebondimètre de<br />
ballon de basket pour en mesurer l’effort d’impact et le banc<br />
de caractérisation pour déterminer l’absorption de la mousse<br />
élastomère d’un casque de VTT.<br />
Parmi la longue liste de références de la société fi urent notamment<br />
SKF, Liebherr, Ratier-Figeac, Safran, Yamaha, le CNRS,<br />
Boîtier de transmission prototype<br />
Décathlon, Total ou encore… Akira ! En effet, suivant le célèbre<br />
adage « on n’est jamais mieux servi que par soi-même », l’entreprise<br />
basque a mis au point des machines et des bancs d’essais<br />
spéciaux pour le compte de ses propres activités. « Nous<br />
sommes notre propre client, affirme David Lalanne. Nous utilisons<br />
notamment nos installations ainsi que nos logiciels “maison”<br />
pour développer nos bancs de moteurs à pistons ; en partant de<br />
l’étude à la livraison pour le client final, nous assurons l’ensemble<br />
de la chaîne de développement pour une maîtrise de A à Z. » ●<br />
Olivier Guillon<br />
* Akira Technologies a mis au point dans le cadre du projet Corac un réducteur de<br />
vitesse prototype. Parmi les autres réalisations de l’entreprise à travers les projets<br />
de R & D/R & T : un prototype de moteur à air chaud (Cleansky) ou encore un<br />
boîtier de transmission pour Turbomeca (de la conception au test en passant par<br />
l’instrumentation et l’assemblage).<br />
Systèmes de projection laser<br />
Pour l’aide au positionnement et au contrôle en 3D.<br />
Le fichier DAO du bureau d’étude est directement<br />
visualisé sur la pièce à la taille réelle.<br />
Optimisation des processus de production.<br />
Simplification des opérations de montage.<br />
Elimine les erreurs d’orientation et les oublis.<br />
Une qualité constante et vérifiable.<br />
Logiciels et IHM intuitifs.<br />
Précis et rapide d’installation.<br />
Disponible en systèmes fixes ou mobiles.<br />
demande d’information<br />
E-mail: contact@gabarit-laser.com<br />
Demande commerciale / Support technique / Formations<br />
Tel: +33 (0)3 88 54 40 19 - 67580 Mietesheim - France<br />
www.gabarit-laser.com<br />
Logiciel SL3D<br />
Visit us<br />
@ JEC WORLD PARIS<br />
HALL 6 Stand B 71
DOSSIER<br />
SPÉCIAL COMPOSITES<br />
L’industrie<br />
face aux défis<br />
des composites<br />
Meilleure tenue à la fatigue, allègement des pièces<br />
ÿnies, meilleur rapport rigidité/masse, plus<br />
grande résistance à la corrosion par rapport aux<br />
aciers ou aux autres matériaux, possibilité de<br />
fabriquer et mettre en forme en une seule étape… Les raisons<br />
de se tourner vers les matériaux composites ne manquent pas.<br />
De nombreux domaines d’activité, à commencer par l’aéronautique,<br />
véritable emblème des composites, mais également<br />
l’automobile, le ferroviaire, l’éolien, le médical, la compétition<br />
et le loisir avec, en particulier, le cyclisme et le nautisme,<br />
s’ouvrent à ces matériaux d’un genre nouveau, certes plus ou<br />
moins massivement mais avec la ferme intention de renforcer<br />
la recherche dans le domaine…<br />
Cet engouement porté sur les matériaux composites<br />
( thermoplastiques ou thermodurcissables pour les composites<br />
à matrice organique, mais aussi des matériaux à matrices organiques<br />
ou métalliques) présente des bien di° cultés pour les<br />
industriels, en particulier en matière de cadences de production,<br />
mais aussi au niveau des essais et de la simulation du fait<br />
du caractère multiphysique et multidimensionnel des matériaux<br />
; les déÿs concernent également les coûts et la disponibilité<br />
de la matière, le recyclage ou encore la CEM et, plus<br />
globalement, le comportement des pièces composites une fois<br />
assemblées avec des composants métalliques par exemple.<br />
Dans ce dossier spécialement consacré aux composites, et<br />
rédigé en partenariat avec la Digital Factory Division de<br />
Siemens Industry So˛ ware, des cas d’application chez Airbus<br />
et Honda mais aussi les réponses qu’o˝ re aujourd’hui le groupe<br />
en matière de simulation sont à l’honneur. Nos lecteurs y<br />
trouveront également un projet innovant de plateforme de<br />
production pour la grande série de pièces thermoplastiques<br />
(voir page 45 et notre éditorial en page 1) ou encore une technologie<br />
de vis instrumentée pour une meilleure maîtrise du<br />
serrage des pièces en composite.<br />
Olivier Guillon<br />
LE DOSSIER EN DÉTAIL<br />
20 La simulation face au défi des composites : interview de Willy Bakkers<br />
22 Tirer parti des composites grâce à la simulation numérique<br />
26 Quand la tolérance aux dommages s’applique à l’industrie automobile<br />
29 Conception de structures en composites ou comment optimiser performance et fabricabilité<br />
31 Faire basculer les composites dans une nouvelle ère industrielle<br />
34 Vis Instrumentées et Ultrasons : serrage des structures composites<br />
40 Strain Measurement Techniques for Composites Coupon Testing<br />
18 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
GRATUIT<br />
►<br />
Avant le 31 décembre 2015<br />
Corée du sud<br />
Pays à l’honneur<br />
Paris Nord Villepinte<br />
1 300 exposants couvrant toute la chaîne de valeur des composites<br />
Ferrovière<br />
Aéronautique<br />
Automobile<br />
Navale<br />
10% Produits<br />
intermédiaires<br />
15% Services<br />
4% Distributeurs / Agents / Représentants<br />
32% Equipements /<br />
Outils / Edition de logiciels<br />
Energie<br />
Construction et<br />
lnfrastructures<br />
lngénierie civile<br />
Tuyaux et<br />
réservoirs<br />
17% Transformateurs<br />
et process<br />
22% Producteurs de<br />
matières premières<br />
EEE<br />
Sport et Loisirs<br />
Biens de<br />
consommation<br />
Médical<br />
Développez votre ROI avec le plus grand réseau<br />
mondial de professionels des composites<br />
fréquentation<br />
37 000+<br />
pays représentés<br />
100<br />
Enregistrez-vous en ligne et recevez votre<br />
e-badge sur www.jec-world.events<br />
` Connectez-vous sur www.jec-world.events<br />
` Remplissez le formulaire en ligne<br />
` Recevez immédiatement votre e-badge par email<br />
www.JECcomposites.com<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I19
dossier<br />
spécial composites<br />
Entretien<br />
« Les composites représentent<br />
à eux seuls un véritable défi »<br />
Fort d’une longue expérience chez LMS (société acquise en 2013 par Siemens), Willy Bakkers<br />
nous explique en quoi la simulation 3D doit aujourd’hui faire face à de nouveaux défis, à<br />
commencer par la montée en puissance des matériaux composites dans l’industrie.<br />
Willy Bakkers,<br />
vice-président<br />
3D Simulation (Siemens AG)<br />
<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong><br />
Quel est le rôle de la partie 3D SIMULATION<br />
de SIEMENS ?<br />
Willy Bakkers<br />
3D Simulation appartient au segment STS (Simulation and<br />
Test Solutions), partie intégrante de la société Siemens PLM<br />
Software. Ce « sous-segment » est chargé de développer des<br />
solutions logicielles capables de prédire les performances fonctionnelles<br />
des produits. Ces solutions permettent ainsi de savoir<br />
comment ils vont se comporter dans le temps et performer, et<br />
ce à partir de modèles virtuels et de géométrie 3D. Ces données<br />
concernent notamment les résistances à différentes contraintes,<br />
aux chocs, aux vibrations etc. Elles déterminent aussi les performances<br />
du produit, acoustiques par exemple.<br />
À quelles probléMATIQUES industrielles<br />
êtes-vous confrontéS ?<br />
Trois grandes tendances se dessinent aujourd’hui. La première<br />
concerne l’évolution importante des produits dits intelligents<br />
– autrement appelés smart products. Ainsi, dans chaque produit,<br />
il est désormais nécessaire de simuler les performances mécaniques<br />
mais aussi de prendre en compte leur interaction avec<br />
l’électronique, les capteurs et le logiciel. Deuxième grande évolution,<br />
la « customisation » de masse ; de plus en plus de produits<br />
sont désormais pleinement adaptés aux besoins du client. Dans<br />
l’automobile par exemple, à partir d’une même plateforme, on<br />
met au point des véhicules intégrant les spécificités de chaque<br />
marché en fonction des régions du monde et de leur utilisation<br />
faite sur la route… Enfin, l’arrivée des nouveaux matériaux<br />
bouleverse considérablement nos métiers, qu’il s’agisse<br />
des composites ou l’émergence de nouveaux procédés comme<br />
l’impression 3D et la fabrication additive.<br />
En quoi les MATériaux composites changentils<br />
la dONNE ?<br />
Les nouveaux procédés de production de pièces interviennent<br />
dans un contexte d’allègement des composants mécaniques. Dans<br />
ce cadre, les composites représentent à eux seuls un véritable<br />
défi : celui de la production de masse. Si l’aéronautique a fortement<br />
recours à ce type de matériaux, cela représente encore des<br />
volumes faibles. L’enjeu réside davantage dans la production de<br />
pièces de structure pour l’automobile, secteur qui nécessitera de<br />
cadences élevées. Nous sommes en mesure, à travers nos solutions,<br />
de confi mer que le modèle et la simulation se confi ment<br />
dans la production. Il s’agit pour nous de faire le lien entre la CAO<br />
(modèle), la simulation (tests et performances) et la production et<br />
donc assurer une totale connectivité entre ces différentes étapes,<br />
ce qui est loin d’être simple avec les composites. ●<br />
Propos recueillis par Olivier Guillon<br />
Willy Bakkers >> curriculum<br />
vitae<br />
Âge : 54 ans<br />
Pays : Belgique<br />
Diplôme : ingénieur<br />
Poste actuel : vice-président 3D Simulation (Siemens AG)<br />
Spécialisation : électromécanique<br />
Parcours d’entreprise : Après avoir entamé sa carrière comme<br />
ingénieur de maintenance puis responsable de projet R & D<br />
chez Pauwels, Willy Bakkers intègre en février 1989, et pour<br />
de nombreuses années, la société LMS International (Louvain,<br />
Belgique), qui appartient aujourd’hui au groupe Siemens suite à<br />
son rachat en 2013. Il y occupe des postes clés comme directeur<br />
de la division Test (jusqu’en 2000), vice-président Marketing,<br />
General manager de LMS Imagine ou encore de la division CAE.<br />
20 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
spécial composites dossier<br />
Un engagement fort dans l’Industrie 4.0<br />
Le géant allemand n’a pas attendu l’Industrie du futur (ou plutôt 4.0 comme elle est surnommée<br />
Outre-Rhin) pour développer un fil digital entre les différentes phases d’innovation – création<br />
d’idée, réalisation, utilisation – à travers des solutions PLM (Product Lifecycle Management). Mais<br />
dans le cadre de l’Industrie 4.0, Siemens a donné naissance à une « smartinnovation platform »<br />
reposant sur quatre piliers : les utilisateurs engagés (utilisation simple des données et acquisition<br />
de données de masse), des modèles intelligents (modélisation des systèmes, liaison avec des<br />
tests), les produits réalisés (« manufacturabilité ») et les systèmes adaptatifs (solutions ouvertes<br />
pour aider les utilisateurs à évoluer en fonction de l’innovation).<br />
>> Des informations plus exhaustives sont prévues dans un prochain n° d’<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong>. Pour<br />
l’heure, rendez-vous sur siemens.com/plm/vision<br />
PUBLI-COMMUNIQUÉ<br />
Caractérisation Thermique<br />
Une nouvelle méthode de caractérisation<br />
thermique de composites anisotropes<br />
Pour répondre aux besoins de caractérisation croissants des industriels et des laboratoires<br />
R&D lors du développement de matériaux ou de systèmes, la société THEMacS Ingénierie<br />
étoffe son offre de caractérisation thermique de composites grâce à l’utilisation de la<br />
thermographie infrarouge.<br />
« Nous venons de développer une nouvelle méthode de mesure<br />
de conductivité et diffusivité thermique adaptée aux composites<br />
anisotropes », explique Jean-Pierre Monchau, Président fondateur<br />
de THEMACS Ingénierie.<br />
Cette méthode vient compléter l’offre existante en caractérisation<br />
thermique de cette jeune société, fondée en 2014 par des chercheurs<br />
et ingénieurs de l’Université Paris-Est-Créteil. Bénéficiant<br />
d’un large spectre de compétences et s’appuyant sur les plateaux<br />
techniques de plusieurs laboratoires de recherche et instituts, la<br />
société THEMACS Ingénierie accompagne les entreprises pour<br />
la réalisation de mesures, une expertise matériau, des simulations<br />
thermiques ou bien des tests de CND. « Nous sommes sollicités<br />
aussi bien pour des mesures d’émissivité, de conductivité thermique<br />
que pour de la modélisation ou des caractérisations d’analyse thermique<br />
par des acteurs très divers », ajoute Jean-Pierre Monchau :<br />
« Notre équipe d’experts nous permet d’aller au-delà de la simple<br />
caractérisation de matériaux en laboratoire. Nous réalisons par<br />
exemple des analyses spécifiques et conseillons nos partenaires dans<br />
le choix de matériaux ».<br />
La société THEMACS Ingénierie continue actuellement son<br />
activité R&D afin de développer une version portable du dispositif<br />
de mesure permettant une caractérisation sur site, comme<br />
cela est déjà le cas pour les mesures d’émissivité.<br />
Observation par thermographie du transfert de chaleur latéral dans<br />
une plaque de composite renforcé par un tissu de fibres de carbone<br />
Contact : +33 6 29 82 44 34<br />
e-mail : contact@themacs.fr<br />
web : www.themacs.fr<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I21
dossier<br />
spécial composites<br />
Retour d’expérience<br />
Tirer parti des composites<br />
grâce à la simulation numérique<br />
Aujourd’hui, pour les constructeurs aéronautiques, le principal problème est de réduire la<br />
consommation de carburant et les émissions polluantes. La meilleure façon d’y parvenir<br />
consiste à augmenter l’efficacité et la fiabilité des structures d’avions et d’en réduire le poids<br />
en utilisant des matériaux composites plus légers. Pour atteindre ces objectifs en la matière,<br />
Airbus Group Innovations est parvenu à tirer parti des composites grâce à LMS Samtech<br />
Samcef.<br />
Airbus A350.<br />
Face à la nécessité d’augmenter le niveau de fiabilité tout en<br />
réduisant le poids, les ingénieurs doivent garder la maîtrise<br />
de la conception grâce à la prédiction de tous les types de<br />
défauts potentiels susceptibles d’affecter les composants structurels<br />
fabriqués en matériaux composites. Contrairement aux<br />
structures métalliques, ces matériaux présentent des modes<br />
de défaillance bien spécifiques. Afin de fournir des conceptions<br />
de structures sécurisées qui exploitent tout le potentiel<br />
de ces nouveaux matériaux, les ingénieurs calcul de l’aéronautique<br />
doivent identifie les phénomènes de délaminage et<br />
autres dommages que les structures composites multicouches<br />
peuvent subir. En outre, les effets géométriques non linéaires<br />
des structures composites à paroi mince sont complexes à<br />
analyser et ne peuvent être ignorés. Un savoir-faire de pointe<br />
en matière d’analyse non linéaire est donc nécessaire pour<br />
obtenir des résultats exacts, permettant de déterminer des<br />
marges de sécurité réalistes.<br />
Airbus Group Innovations (anciennement EADS Innovation<br />
Works) est l’unité de Recherche et Technologie d’Airbus Group.<br />
Sa mission principale est de développer l’excellence technologique<br />
et de réaliser des avancées décisives afin de favoriser l’innovation<br />
industrielle dans les divisions du groupe : Airbus, Airbus Defence<br />
and Space (anciennement Cassidian et Astrium) et Airbus Helicopters<br />
(anciennement Eurocopter). Son deuxième objectif est de<br />
permettre le partage des compétences entre ces entités commerciales<br />
afin d’aider Airbus Group à conserver sa position de leader<br />
dans un environnement mondialisé de plus en plus concurrentiel.<br />
Airbus Group Innovations travaille essentiellement avec<br />
Airbus et Airbus Helicopters dans le cadre de ses recherches<br />
sur l’analyse des composites, qui visent donc à développer un<br />
concept novateur et sophistiqué applicable dans les nouveaux<br />
programmes aéronautiques.<br />
Les tests virtuels sont indispensables pour réduire le nombre de<br />
tests physiques effectués sur les composants en matériaux compo-<br />
22 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
spécial composites dossier<br />
Tests physiques effectués sur une pale d’hélicoptère<br />
(résultats de simulation > voir photo suivante).<br />
sites et pour permettre la certification des avions. Siemens PLM<br />
Software joue un rôle crucial dans ce processus en fournissant à<br />
Airbus Group Innovations le logiciel LMS Samtech Samcef, un<br />
outil d’analyse par éléments fi is (FEA) dédié au prototypage<br />
virtuel mécanique et structurel. LMS Samcef est utilisé dans<br />
de nombreuses industries pour des projets très divers, des plus<br />
simples aux plus complexes. Ces vingt dernières années, l’équipe<br />
de développement de LMS Samtech a tissé une relation étroite<br />
avec Airbus Group Innovations, notamment dans le domaine<br />
des technologies des composites.<br />
La fondation<br />
Forts de plus de trente-cinq ans d’expérience de travail avec<br />
les leaders du domaine, les experts d’Airbus Group Innovations<br />
effectuent des recherches et aident les donneurs d’ordre<br />
et équipementiers de l’aéronautique pour la mise en œuvre<br />
des technologies d’analyse dédiée aux structures et des scénarios<br />
d’optimisation, ainsi que des solutions prédictives robustes<br />
pour l’analyse des composites. Airbus Group Innovations enrichit<br />
son savoir-faire en simulant les dommages subis par les<br />
matériaux composites peuvent subir, afin d’analyser des structures<br />
composites de grandes dimensions à paroi mince. Pour<br />
les programmes à part entière, les projets d’amélioration de l’efficacité<br />
portent sur l’élaboration de modèles spécifiques plus<br />
perfectionnés, permettant de modéliser les défaillances susceptibles<br />
de se produire dans une structure composite.<br />
« L’équipe d’Airbus Group Innovations spécialisée dans l’analyse et la<br />
simulation avancées des composites a l’habitude d’accueillir dans ses<br />
rangs des ingénieurs issus de l’École normale supérieure de Cachan<br />
(ENS Cachan), et plus particulièrement de son Laboratoire de Mécanique<br />
et Technologie (LMT Cachan), explique Didier Guedra-Desgeorges,<br />
vice-président et directeur du Technical Capabilities<br />
Center, “Structure Engineering, Production & Aeromechanics”,<br />
chez Airbus Group Innovations. Le très haut niveau des programmes<br />
de recherche ainsi que le nombre de nouvelles lois de matériaux<br />
« L’implémentation réussie de ces lois dans le<br />
solveur d’analyses non linéaires par éléments<br />
finis LMS Samcef a été réalisée avec l’aide de<br />
l’équipe de Siemens PLM Software. » – Serge<br />
Maison Le-Poec, directeur du département<br />
Analyse des structures d’Airbus Group<br />
Innovations<br />
composites et de modèles d’endommagements des structures composites<br />
développés par LMT Cachan, explique la relation étroite qui<br />
nous lie ». De son côté, Guedra-Desgeorges ajoute : « Le Laboratoire<br />
de Mécanique et d’Acoustique de l’université d’Aix-Marseille<br />
(LMA Marseille), un autre laboratoire universitaire travaillant dans<br />
le même domaine, fait également partie des partenaires de recherche<br />
d’Airbus Group Innovations. L’équipe de développement de LMS<br />
Samtech est la pierre angulaire de ces partenariats, en contribuant<br />
à la diffusion de ces nouvelles lois matérielles, grâce à l’implémentation<br />
de ces concepts novateurs dans son solveur LMS Samcef. »<br />
Gain en compréhension<br />
La pression concurrentielle étant de plus en plus forte, il est<br />
important qu’Airbus Group réponde extrêmement vite aux<br />
besoins du marché. Pour cela, il doit concevoir correctement<br />
ses produits du premier coup et adopter de nouvelles méthodologies<br />
pour intégrer la modélisation avancée des composites.<br />
« Grâce à l’implémentation dans LMS Samcef des lois de comportement<br />
avancées des matériaux composites en collaboration avec<br />
le LMT Cachan et le LMA Marseille, Airbus Group a nettement<br />
amélioré sa compréhension de la physique des matériaux composites,<br />
déclare Didier Guedra-Desgeorges. Il a ainsi creusé l’écart<br />
avec ses concurrents, en devenant le premier et le meilleur département<br />
de recherche à disposer d’un savoir-faire aussi avancé ».<br />
La formulation du modèle choisi a été largement validée par<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I23
dossier<br />
spécial composites<br />
À venir dans un prochain<br />
numéro d’<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong><br />
*<br />
Résultats de la simulation avec LMS Samtech Samcef*.<br />
* Corrélation entre les résultats obtenus avec LMS Samtech Samcef et lors de tests<br />
physiques, montrant les dommages subis par une pale d’hélicoptère. Images reproduites<br />
avec la permission d’Airbus Group Innovations.<br />
Dans un prochain numéro d’<strong>Essais</strong> & <strong>Simulations</strong>, Patrick Morelle,<br />
Senior Marketing Manager de LMS (Siemens) fera le point sur<br />
la situation actuelle du marché aéronautique et spatial par<br />
rapport à l’emploi des matériaux composites et aux méthodes<br />
dans un processus élargi et itératif de conception/simulation/<br />
fabrication des futurs aéronefs incluant leur motorisation. Il<br />
présentera notamment les innovations sur la fabrication ainsi que<br />
la caractérisation des matériaux en amont de la simulation des<br />
structures composites, ainsi que la prise en compte de la tolérance<br />
aux dommages subis par les composites en fonctionnement.<br />
Enfin, Patrick Morelle présentera une approche des services<br />
– complémentaire au produit – mettant en évidence la réduction<br />
des interactions entre les essais et la simulation, avec pour objectif<br />
de fournir des résultats plus rapides et plus pertinents.<br />
rapport à des résultats expérimentaux. Il permet de prendre en<br />
compte différents types de modes de rupture et de dommages<br />
des matériaux composites, ainsi que les interdépendances<br />
entre ces phénomènes. « L’implémentation réussie de ces lois<br />
dans le solveur d’analyses non linéaires par éléments finis LMS<br />
Samcef a été réalisée avec l’aide de l’équipe de Siemens PLM<br />
Software, explique Serge Maison Le-Poec, directeur du département<br />
Analyse des Structures d’Airbus Group Innovations.<br />
Même s’il est possible d’utiliser des routines utilisateurs matériaux<br />
grâce à l’ouverture du logiciel, une implémentation native<br />
dans la version commerciale du logiciel constitue une solution<br />
plus fiable. »<br />
Et d’ajouter : « Des techniques avancées de régularisation<br />
numérique ont été mises en place afin de s’assurer des bonnes<br />
propriétés de convergence de ces analyses qui sont fortement<br />
non linéaires et comportent des discontinuités importantes. Le<br />
fait que le logiciel LMS Samcef offre un environnement technologique<br />
de pointe et robuste dans un contexte industriel est<br />
pour nous d’une importance stratégique. »<br />
Cette nouvelle fonctionnalité a été testée avec succès par Airbus<br />
Helicopters pour prévoir le comportement structural non<br />
linéaire d’une pale composite présentant une fissure transversale.<br />
La parfaite corrélation entre la simulation et les résultats<br />
des tests physiques confi me qu’il est possible d’analyser des<br />
scénarios complexes pour des structures composites. Grâce à la<br />
démonstration de fiabilité de ses méthodes et modèles incluant<br />
une augmentation du spectre des analyses des comportements<br />
en contexte réaliste, Airbus Group Innovations s’est forgé une<br />
image de leader qui lui confère un avantage concurrentiel lorsqu’il<br />
s’agit de répondre à des appels d’offres pour des programmes<br />
industriels nouveaux ou existants.<br />
« Le fait que le logiciel LMS Samcef offre un<br />
environnement technologique de pointe et<br />
robuste dans un contexte industriel est pour<br />
nous d’une importance stratégique. » – Serge<br />
Maison Le-Poec<br />
Des avANTAGES NETS<br />
La tendance actuelle consiste à procéder à la simulation des pièces<br />
composites parallèlement à des tests physiques ou en complément<br />
de ceux-ci. Pendant tout le processus de conception d’un avion,<br />
l’utilisation d’outils de simulation est devenue quasiment indis-<br />
24 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
spécial composites dossier<br />
pensable afin de répondre aux exigences des organismes de certification<br />
tout en économisant du temps et de l’argent. L’exactitude<br />
des modèles d’analyse permet de mieux comprendre le comportement<br />
physique des défaillances des structures composites. Avec<br />
une connaissance des effets de défaillance d’une structure en<br />
matériaux composites, des conceptions améliorées peuvent être<br />
ainsi proposées avec des marges de sécurité plus précises.<br />
Ceci offre des avantages significatifs pour les constructeurs<br />
aéronautiques OEM. La défi ition plus précise des marges de<br />
sécurité par les départements de « Calcul de Structure » des<br />
constructeurs aéronautique permet la fabrication de structures<br />
composites plus légères avec une réduction les coûts.<br />
Avec l’aide et le savoir-faire de l’équipe de développement de<br />
LMS Samtech, Airbus Group Innovations travaille au déploiement<br />
de solutions de calcul massivement parallèle basées sur le<br />
solveur non linéaire LMS Samcef, afin ’analyser des modèles<br />
de structures composites endommagées, de très grande taille.<br />
« Des validations complémentaires sont en cours chez Airbus<br />
dans le cadre du projet européen Maaximus, commente Serge<br />
Maison Le-Poec. Airbus Group et les experts du logiciel LMS<br />
Samtech sont également partenaires dans plusieurs projets de<br />
recherche et développement (R & D) portant sur l’analyse des<br />
dommages en composite. »<br />
Approche modulaire incluant<br />
la structure composite<br />
ainsi que des tests virtuels<br />
et physiques sur les matériaux.<br />
« Airbus Group Innovations est clairement reconnu pour avoir<br />
réalisé des prestations d’ingénierie méthodologique de qualité afin<br />
de fournir des solutions sur-mesure, poursuit Didier Guedra-<br />
Desgeorges. L’adoption rapide de ses méthodes par l’industrie<br />
aéronautique améliorera le processus de conception industrielle.<br />
Puisque le comportement et la durée de vie des matériaux<br />
composites diffèrent de ceux des matériaux métalliques<br />
traditionnels, notamment en ce qui concerne les phénomènes<br />
de fissuration, les méthodologies actuelles de navigabilité sont<br />
adaptées afin de prendre en compte les tests virtuels des effets de<br />
défaillance spécifiques sur les structures aéronautiques en matériaux<br />
composites. » ●<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
• <br />
<br />
• <br />
<br />
<br />
• <br />
<br />
• <br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I25
dossier<br />
SPÉCIAL COMPOSITES<br />
Analyse<br />
Quand la tolérance aux dommages<br />
s’applique à l’industrie automobile<br />
La nécessité de concevoir des véhicules satisfaisant des normes antipollution de plus en<br />
plus sévères pousse dorénavant l’ensemble des constructeurs automobiles vers une utilisation<br />
accrue des matériaux légers, et en particulier les composites. Si l’utilisation des composites<br />
à fibre courte pour les parties et composants non structuraux s’est largement répandue<br />
dans l’industrie, celle des fibres longues, et en particulier les fibres de carbone, devient une<br />
tendance générale pour la conception et la fabrication des composants structuraux, participant<br />
à la raideur et la résistance du véhicule.<br />
Test d’un composant en « L » avec délaminage<br />
Pour l’industrie automobile, le défi est tout d’abord dans la<br />
sélection de procédés de fabrication compatibles avec le<br />
besoin de (très) grandes séries. L’objectif du concepteur<br />
est alors de sélectionner les bons procédés de fabrication,<br />
de prendre en compte pendant la conception, les contraintes liées<br />
à ces procédés ainsi que leur éventuel impact sur le comportement<br />
et la résistance des composants (« spring back »). Cependant,<br />
dans sa quête d’un poids minimum associé à une rigidité suffisante,<br />
l’industrie automobile est conduite aujourd’hui à adopter<br />
des concepts qui étaient jusqu’ici réservés à l’industrie aéronautique<br />
: la tolérance aux dommages. Utilisée d’une manière totalement<br />
fiable pour l’utilisateur fi al de l’automobile, cette méthode<br />
constitue une avancée majeure vers la réduction effective de poids,<br />
et donc une consommation moindre des véhicules automobiles.<br />
Manufacturing et conception<br />
Un des plus grands écueils d’une chaîne de conception, en<br />
particulier dans le cas des matériaux composites, réside dans<br />
le fait de concevoir une structure qui satisfait tous les objectifs<br />
de performances, mais qui se révèle impossible (ou trop<br />
coûteuse) à fabriquer.<br />
Pour ce faire, il s’avère nécessaire d’intégrer aussi tôt que<br />
possible dans cette chaîne de conception-simulation-fabrication,<br />
le choix d’un procédé de fabrication et les contraintes<br />
qui lui sont associées. Dans l’automobile, ce choix s’avérera<br />
tout à fait crucial, car bien plus encore que dans l’aéronautique,<br />
la nécessité de fabriquer des grandes séries de véhicules<br />
imposera des procédés de fabrications spécifiques. C’est le prix<br />
à payer pour réduire les rejets polluants.<br />
Sans prétendre anticiper un choix qui, en réalité, n’est pas<br />
encore totalement acquis par l’industrie automobile, on peut<br />
cependant constater que la technologie Siemens PLM Software<br />
a anticipé ce besoin. La première composante est le logiciel<br />
Fibersim qui, au départ d’une géométrie CAO, permet d’ores<br />
et déjà de simuler les procédés de drapage automatique ainsi<br />
que de placement des fibres. La vérification du caractère fabricable<br />
de la pièce, qui permet d’éviter l’apparition de distorsions<br />
lors de l’étalement des plis peut donc s’effectuer au plus<br />
tôt dans la chaîne de conception afin d’anticiper au maximum<br />
les difficultés liées à la mise en œuvre des composites.<br />
Une fois la conception défi ie, les informations relatives aux<br />
séquences d’empilement, orientation des fibres (…) sont transmises<br />
au logiciel de simulation afin de vérifier les performances<br />
du composant. Celui-ci peut alors être simulé non<br />
pas tel qu’imaginé par le concepteur, mais bien tel qu’il sera<br />
réellement fabriqué.<br />
Toute cette chaîne, au départ de la géométrie et incluant<br />
la définition des zones et des différents laminés, peut être<br />
26 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
SPÉCIAL COMPOSITES<br />
dossier<br />
paramétrée permettant une mise à jour rapide du modèle<br />
de simulation afin de s’adapter aux différentes modifications<br />
pilotées par le design. Un plus grand nombre de variantes<br />
peuvent être comparées et optimisées.<br />
Tolérance aux dommages<br />
Depuis longtemps, le concept de tolérance aux dommages est<br />
utilisé par l’industrie aéronautique afin de mieux optimiser la<br />
conception et atteindre des poids réduits. L’idée est de tolérer<br />
l’apparition de dommages tout en étant capable d’en contrôler<br />
la croissance, et notamment de pouvoir stopper cette croissance<br />
ou réparer le composant lors des phases de maintenance du<br />
composant. Pour le constructeur aéronautique, il est essentiel<br />
de pouvoir prédire et simuler de manière fiable la croissance<br />
des dommages afin de réduire les interventions de maintenance<br />
tout en assurant l’intégrité du produit.<br />
Dans l’automobile, les choses sont un peu différentes, ne<br />
serait-ce que parce qu’un conducteur verrait probablement<br />
d’un très mauvais œil l’apparition de fissures dans tout ou partie<br />
de son automobile. Pourtant, il faut accepter le fait que l’apparition<br />
des dommages est quasiment inévitable dans le cas des<br />
matériaux composites. De par leur nature même, ces « agglomérats<br />
» de matériaux voient naître différents types de dommages<br />
(internes aux laminés, endommagement des fibres, de la matrice<br />
ou encore le délaminage). Leur utilisation dans une approche<br />
classique s’appuie alors sur la détection du « premier pli endommagé<br />
» au travers de critères classiques de type « Tsai-Hill ».<br />
Il faut également noter un point très favorable des composites :<br />
c’est leur plus grande tolérance de la présence de dommages,<br />
comparé aux matériaux métalliques. On doit donc constater<br />
que, comme dans l’aéronautique, le concept de « tolérance aux<br />
dommages » commence à être reconnu par le secteur automobile<br />
en tant que moyen efficace permettant une réelle optimisation<br />
du poids du véhicule.<br />
Honda entend se positionner comme un pionnier dans ce<br />
domaine. En partenariat avec Siemens PLM Software, cette<br />
société a donc développé une approche mélangeant la simulation<br />
et les tests physiques, afin de simuler la naissance (amorçage)<br />
et surtout la croissance (propagation) des différents types<br />
d’endommagement dans des composants utilisant des fibres<br />
longues.<br />
La simulation de l’endommagement des composites « fibre<br />
longue » dans NX CAE – Samcef est basée sur l’utilisation de<br />
différents modèles (équations constitutives) initialement formulés<br />
par Pierre Ladeveze et Éric Le Dantec [1] pour l’endommagement<br />
dans un pli et Olivier Allix et Pierre Ladeveze [2] pour le<br />
délaminage. Ces équations utilisent un certain nombre de coefficients<br />
matériaux qui doivent préalablement être déterminés<br />
sur base de tests de coupons représentatifs de différents matériaux<br />
et différents laminés utilisés pour la conception. Nous<br />
parlons alors de caractérisation des matériaux composites.<br />
De nombreux articles décrivent les difficultés rencontrées<br />
par les ingénieurs lors de la corrélation de ces coefficients.<br />
Fort heureusement, Siemens PLM Software est capable d’expliquer<br />
très exactement à ses clients comment déterminer<br />
ces coefficients sur base d’un nombre très limité d’essais.<br />
Après les tests destinés à corréler les coefficients matériaux,<br />
une excellente adéquation peut être obtenue entre les essais<br />
et la simulation dans NX CAE – Samcef, ainsi qu’en atteste<br />
la figure ci-dessous.<br />
Stress (newtons/millimeters 2 )<br />
Strain<br />
Test 1<br />
Test 2<br />
Test d’un coupon avec endommagement matrice/fibres<br />
et comparaison avec Samcef dans NX CAE<br />
LMS Samcef<br />
D’autres séries de tests permettent de déterminer les différents<br />
coefficients apparaissant dans les modèles simulant le délaminage<br />
dans différentes confi urations représentant en général<br />
des sous-composants et assemblages (fi ures suivantes).<br />
Test d’un composant en « L » avec délaminage<br />
Test 1 Test 2 LMS Samcef<br />
Stress (newtons/millimeters 2 )<br />
Strain<br />
Test d’un coupon avec délaminage<br />
et comparaison avec Samcef dans<br />
NX CAE<br />
Comparaison des géométries<br />
parfaites et réelles dues<br />
au « spring back effect ».<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I27
dossier<br />
spécial composites<br />
Une fois la validation effectuée, le concepteur peut ensuite<br />
passer au niveau suivant et simuler des composants entiers<br />
avant de passer au produit complet.<br />
Influence du procédé de fabrication sur le<br />
comportement et les performances structurales<br />
Le procédé de fabrication de la structure composite peut<br />
entraîner l’apparition de contraintes résiduelles dans le<br />
composant fabriqué, de la même manière que l’emboutissage<br />
ou l’échauffement important d’une pièce mécanique.<br />
Ces contraintes résiduelles, dues à la modification pendant<br />
le procédé des caractéristiques matérielles des composites<br />
entraînent des déformations de la pièce : on parle d’effet<br />
« spring back ». La première conséquence en est que la pièce,<br />
une fois démoulée, ne présentera pas exactement la géométrie<br />
visée (cf. fi ure ci-dessous). Une conséquence secondaire<br />
peut être que les performances du composant sont affectées.<br />
On peut par exemple citer l’influence des contraintes résiduelles<br />
sur le comportement en fatigue.<br />
Force (newtons)<br />
Test 1 Test 2 LMS Samcef<br />
Conclusions<br />
Grâce à la technologie Siemens PLM Software, l’industrie automobile<br />
peut disposer dès aujourd’hui d’une suite logicielle<br />
cohérente et complète permettant une conception optimale de<br />
véhicules utilisant les matériaux composites, tant pour les structures<br />
portantes que les composants secondaires. Le but visé est la<br />
conception correcte d’une pièce composite « du premier coup ».<br />
Il est à noter que Fibersim, tout comme NX CAE, peut utiliser<br />
des modèles CAO fournis par la plupart des éditeurs concurrents,<br />
faisant du système Siemens PLM Software une technologie<br />
ouverte et adaptable à la confi uration des utilisateurs. Sur<br />
base de ces technologies, et en réutilisant la méthode de « tolérance<br />
aux dommages » initialement développée par l’industrie<br />
aéronautique, il est d’ores et déjà possible d’envisager des véhicules<br />
répondant aux normes antipollution les plus pointues<br />
ainsi que les propulsions d’aujourd’hui et de demain.<br />
Enfin, cette méthodologie liée aux matériaux composites s’inscrit<br />
elle-même dans une stratégie beaucoup plus ambitieuse :<br />
le « System Driven Product Development » qui apporte une<br />
réponse à la complexité croissante des véhicules automobiles<br />
constitués d’un nombre croissant de systèmes et sous-systèmes<br />
de plus en plus interconnectés ainsi qu’à un nombre croissant<br />
de variantes d’un modèle donné afin de satisfaire les demandes<br />
d’une clientèle toujours plus exigeante. ●<br />
Patrick Morelle,<br />
Senior Marketing Manager de LMS (Siemens)<br />
Displacement (millimeters)<br />
Test d’un composant en « L » avec délaminage et comparaison avec<br />
SAMCEF dans NX CAE<br />
La bonne nouvelle est qu’il devient possible avec NX CAE<br />
– Samcef d’envisager la simulation de procédés de fabrication<br />
de pièces composites, incluant des phénomènes<br />
comme la cristallisation et le durcissement (« curing »)<br />
au travers de simulations couplées mécaniques et thermiques.<br />
Des exemples sont donnés dans les articles cités<br />
en Réf. [3] et [4].<br />
À terme, ce type de simulation permettra d’optimiser non<br />
seulement les performances et le poids d’un composant<br />
utilisant les matériaux composites, mais aussi dans le même<br />
temps, le procédé de fabrication (température, pressions<br />
optimales, temps de durcissement…) assurant la meilleure<br />
qualité ainsi que les performances finales du composant.<br />
Une autre application consistera à juger de la « robustesse »<br />
d’un procédé donné en simulant l’influence de petites variations<br />
de paramètres sur le résultat final.<br />
Références<br />
[1] Ladeveze, P. and Le Dantec, S. 1992. Damage modeling<br />
of the elementary ply for laminated composites, Composites<br />
Science and Technology 43 : 123-134.<br />
[2] Allix O. and Ladevèze P. « Interlaminar interface modeling<br />
for the prediction of laminate delamination », Composite<br />
Structures, 22, 235-242, 1992.<br />
[3] Brauner, C., Bauer, S., Herrmann, A.S. (2015). « Analyzing<br />
process-induced deformation and stresses using a simulated<br />
manufacturing process for composite multi-spar flaps »,<br />
Journal of Composite Materials, 49, p. 387‐402.<br />
[4] Dr. C. Brauner, Dr. A. Miene, Dr. R. Gaitzsch, Prof. Dr. A.S.<br />
Hermann (FASER Institute – FIBRE, Bremen University) ;<br />
Dr. F. Pascon, Prof. Dr. M. Bruyneel (SAMTECH, A Siemens<br />
Company), Advances in virtual process chain and connection<br />
with on-line monitoring methods for first time right<br />
manufacturing of thermoset laminated composites. NAFEMS<br />
World Congress, June 2015, San Diego<br />
28 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
spécial composites dossier<br />
Avis d’expert<br />
Conception de structures<br />
en composites ou comment<br />
optimiser performance<br />
et fabricabilité<br />
David Leigh Hudson, le directeur de la stratégie produit et du marché pour le portefeuille de<br />
produits Fibersim chez Siemens PLM Software (Waltham, MA, États-Unis), évoque la nécessité,<br />
dans le domaine de la conception de la pièce composite, de se tourner vers la notion de<br />
« processus d’ingénierie simultanée ».<br />
David Leigh Hudson,<br />
directeur de la stratégie<br />
produit et du marché<br />
de Fibersim (Siemens<br />
PLM Software).<br />
Le choix d’utiliser des matériaux composites lors de la<br />
conception d’une structure est dicté en général avec<br />
la demande du marché et les coûts. Les avantages liés<br />
au gain de masse, l’amélioration des performances, la<br />
réduction des coûts de matériaux et d’assemblage sont intéressants,<br />
mais la conception de pièces en polymères renforcées<br />
de fibres doit être améliorée. Avec l’avènement des composites,<br />
les méthodes traditionnelles de simulation, de conception<br />
et de fabrication ne sont plus adaptées. En fonction de la<br />
nature du matériau, la pièce doit être optimisée non seulement<br />
pour sa tenue fi ale, mais aussi en tenant compte du procédé<br />
de fabrication. Plus spécifiquement, simulation et conception<br />
doivent prendre en compte le procédé de fabrication au sein<br />
d’un processus d’ingénierie simultanée.<br />
Une pièce en composites est un « assemblage inséparable » fait<br />
de centaines de plis qui varient en nombre et en épaisseur d’un<br />
endroit à un autre. Les orientations réelles des fibres dépendent<br />
à la fois de la géométrie, du type de matériau et du procédé de<br />
fabrication. Par conséquent, il est essentiel, en phase de conception,<br />
de comprendre comment ces trois sources se combinent.<br />
Des fibres qui dévient de manière significative des orientations<br />
théoriques vont modifier les performances structurelles de la<br />
pièce en raideur et en effort. Elles peuvent aussi induire des déformations<br />
néfastes à la forme de la pièce lors de sa cuisson, dont la<br />
correction en bout de chaîne va accroître les coûts de production.<br />
La conception préliminaire des structures en composites est<br />
souvent faite à partir d’une géométrie et d’orientations de fibres<br />
idéalisées, bien que satisfaisantes les cas de chargement. En l’absence<br />
d’une compréhension suffisante des déviations réelles des<br />
fibres, les ingénieurs appliquent des facteurs de réserve redondants<br />
qui réduisent les propriétés mécaniques, ce qui se traduit<br />
par un surdimensionnement général des pièces en composites.<br />
Cela ne permet pas d’obtenir les performances structurelles<br />
et les gains de poids espérés. Mais aujourd’hui, la « visibilité<br />
virtuelle » sur les déviations effectives des fibres et les déformations<br />
du matériau, pendant la fabrication, aide à minimiser<br />
ce surdimensionnement endémique. Cette capacité logicielle,<br />
à laquelle on se réfère en général par « simulation du procédé<br />
de fabrication », permet d’estimer précisément les orientations<br />
réelles des fibres, et d’échanger des données plus précises entre<br />
calcul et conception, comme indiqué en fi ure 1.<br />
Figure 01<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I29
dossier<br />
spécial composites<br />
Plus précisément, le procédé de conception détaillée commence<br />
par l’import d’une défi ition des plis venant du calcul par<br />
éléments fi is et que l’on transpose sur le modèle CAO. Ensuite,<br />
les ingénieurs en conception et des méthodes sélectionnent<br />
ensemble le meilleur procédé de dépose et le simulent directement<br />
sur le modèle CAO, utilisant la géométrie détaillée<br />
comme base de compréhension des orientations exactes des<br />
fibres (fi ure 2). Les propriétés résultantes du matériau et les<br />
orientations réelles sont ensuite fournies automatiquement, en<br />
retour, à l’environnement de pré- et post-traitement du calcul de<br />
structure, s’assurant ainsi que les orientations locales sont bien<br />
maîtrisées. L’ingénieur calcul ne se repose plus simplement sur<br />
des orientations théoriques. Par conséquent, la pièce est maintenant<br />
dimensionnée au mieux, par corrélation entre calcul non<br />
linéaire et comportement réel, permettant l’obtention de marges<br />
de sécurité optimales.<br />
Figure 03<br />
Figure 02<br />
Figure 04<br />
Fournir une pièce composite optimisée nécessite que les orientations<br />
de fibre en production restent conformes aux tolérances<br />
exigées par le bureau de calcul. Cela demande un procédé de fabrication<br />
suffisamment répétitif. Aujourd’hui, la majorité des pièces<br />
composites sont encore produites avec des procédés manuels, ce<br />
qui est source de variations. Bien que la dépose automatisée de<br />
fibres permette d’augmenter la régularité des résultats, d’autres<br />
contraintes s’introduisent et peuvent affecter les orientations de<br />
fibre et donc la performance des pièces. Dans le cas du placement<br />
de ruban ou de fibre par exemple, les orientations désirées<br />
risquent d’être modifiées par les limites en rayon de courbure du<br />
matériau utilisé. Pour assurer des résultats corrects, il est impératif<br />
de comparer les orientations telles que produites avec celles<br />
issues de la conception (fi ure 3) et de communiquer le procédé<br />
de simulation utilisé pour la création de la pièce et de ses mises à<br />
plat (fi ure 4). ●<br />
David Leigh Hudson<br />
Descriptif des figures<br />
Figure 1 : Cette illustration montre, en haut à gauche, le modèle CAO avec un pli unique et les orientations de fibres visualisées en<br />
blanc, jaune et rouge. Les couleurs indiquent la déviation progressive par rapport au théorique en fonction des résultats du procédé<br />
de drapage. En bas à droite, le modèle éléments finis montre le même pli, avec les orientations transposées de la CAO après<br />
simulation de la dépose. Source : Siemens PLM Software.<br />
Figure 2 : Le procédé de fabrication peut être défini, simulé et raffiné en CAO, permettant de déterminer la meilleure méthode de<br />
drapage pour créer la pièce en suivant les normes d’orientations établies par le bureau de calcul. Les deux illustrations montrent<br />
des méthodes différentes, utilisées pour le drapage manuel, et leurs effets sur l’orientation des fibres. Les couleurs bleu, jaune et<br />
rouge mettent en évidence le froncement progressif du matériau. Source : Siemens PLM Software<br />
Figure 3 : Un champ de vecteurs est visualisé en CAO, représentant la différence entre les orientations demandées par le calcul<br />
et celles définies en CAO détaillée, en utilisant la simulation de la fabrication. Les vecteurs sont colorés en bleu, jaune et rouge,<br />
dépendant de la valeur de la différence. Bleu représente une différence minimale, et rouge une différence maximale. La taille des<br />
zones de couleur varie en fonction de la valeur de tolérance utilisée. Source : Siemens PLM Software.<br />
Figure 4 : Un procédé de drapage manuel consistant peut être établi en utilisant la projection laser et les cahiers de drapage,<br />
permettant la mise en évidence des mises à plat tel que fournis par la simulation faite en CAO. Le cahier de drapage contient les<br />
plans montrant les emplacements des plis et leurs mises à plat. Certains plans donnent des indications sur la méthode de drapage<br />
désirée et les mises à plat correspondantes.<br />
30 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
spécial composites dossier<br />
Reportage<br />
Faire basculer les composites<br />
dans une nouvelle ère industrielle<br />
Projet initié il y a trois ans entre le Cetim Nantes et ses différents partenaires, la ligne<br />
de production grande cadence de pièces composites QSP se met en route. Désormais<br />
commercialisée auprès des industriels, cette ligne de production sur mesure (en fonction<br />
de la typologie de pièces) vise principalement l’industrie automobile, qu’elle soit française<br />
ou internationale, et entend bien convaincre le secteur de franchir le pas des composites pour<br />
la production en grande série de pièces de structures.<br />
« Comment peut-on développer l’utilisation des composites<br />
pour répondre à des besoins industriels et, industriels, notamment à travers nos laboratoires communs avec<br />
moyens nécessaires à la fois sur des projets très scientifiques et<br />
notamment, avec les besoins d’un marché de l’automobile<br />
rythmé par une échéance 2020-2021 sur des procédés avec l’École Centrale de Nantes ».<br />
l’ENS Cachan pour la simulation des structures et la simulation<br />
la réduction des rejets de CO 2<br />
? » C’est la question posée par<br />
les différents porteurs du projet Quilted Stratum Process boulverser le monde des composites<br />
(QSP), lequel a nécessité un investissement de 5 M€. L’objectif<br />
? Aborder le virage « 2016 » qui déterminera si l’automobile<br />
s’orientera définitivement ou non dans la production en proche de certains grands événements de l’aéronautique à<br />
Les composites, tout le monde en parle, en particulier à l’ap-<br />
grande série de pièces de structure, résolument plus légères l’image du Bourget ou, plus récemment, du Dubaï Air Show.<br />
mais aussi plus résistantes, du moins en matière de tenue à la Mais ces matériaux ne représentent encore pas encore des<br />
fatigue. Responsable ingénierie Polymères et composites au volumes globaux très importants. L’enjeu avec l’automobile<br />
Cetim et porteur du projet de la plateforme QSP au niveau du (grand public et non plus seulement haut de gamme) est bel et<br />
centre technique, Christophe Champenois se veut rassurant : bien de faire basculer l’industrie des composites dans la grande<br />
« on assiste aujourd’hui à un véritable engagement, tant aux série. Verdict cette année où l’on saura défi itivement si l’automobile<br />
prendra le virage des composites. « Tous les voyants<br />
niveaux national et européen avec l’évolution de la réglementation,<br />
qu’au niveau mondial, du Japon aux États-Unis, pays qui<br />
se positionnent aujourd’hui de plus en plus vers l’allègement des<br />
structures et l’utilisation massive des matériaux composites ».<br />
Et de poursuivre : « J’ai eu l’occasion de me rendre plusieurs<br />
fois Outre-Atlantique et de constater depuis cette année que les<br />
industriels du secteur considèrent désormais les composites comme<br />
une véritable opportunité pour l’industrie américaine, alors que<br />
trois ans plus tôt, l’usage de ces mêmes matériaux faisait rire les<br />
ingénieurs ». Si les Japonais et les Allemands demeurent les plus<br />
avancés dans le domaine, le message à retenir lors du ramdam<br />
du 3 novembre opéré sur le Technocampus de Bouguenais,<br />
près de Nantes, était bien de dire que le Cetim et ses partenaires,<br />
à commencer par le concepteur et fabricant français de<br />
Sur la ligne pilote de Bouguenais,<br />
machines spéciales PEI Pinette*, sont prêts. Prêts à quoi ? À<br />
les pièces peuvent atteindre 1 mètre carré.<br />
fournir aux industriels – à commencer par l’automobile – une<br />
ligne de production grande cadence de pièces composites. Rien<br />
* PEI (Pinette Émidecau Industries) est spécialisé dans les composites (représentant<br />
80 % de ses activités). L’entreprise rassemble près de cent vingt ingénieurs<br />
que ça ! « Le Cetim, de par son devoir d’anticiper les besoins de<br />
l’industrie mécanique, a décidé assez tôt de mettre en place les techniciens en France et son chiffre d’affaires atteint 33 M€.<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I31
dossier<br />
spécial composites<br />
Réception de fibres sur la ligne d’extrusion<br />
Christophe Champenois, responsable<br />
du département Composites du Cetim.<br />
Jérôme Hubert,<br />
directeur général de PEI.<br />
sont au vert, renchérit Christophe Champenois.<br />
L’automobile devrait y passer mais<br />
on ne sait pas encore dans quelles proportions.<br />
D’autant que les composites, en plus<br />
de venir rompre des pratiques industrielles<br />
vieilles de plus de cent ans dans l’automobile,<br />
présentent des inconvénients en termes<br />
d’évacuation ou de recyclage, sans oublier<br />
que l’on change aussi la façon de travailler<br />
des ingénieurs qui devront adopter à la fois<br />
une démarche d’optimisation des systèmes<br />
et acquérir une parfaite connaissance des<br />
matériaux et des procédés afin de déterminer<br />
au mieux la durée de vie des pièces et de<br />
leurs sollicitations. Mais s’ils veulent faire<br />
la chasse aux derniers kilos, les constructeurs<br />
n’auront d’autre choix que de se tourner<br />
vers les composites ».<br />
S’ils passent la barrière et qu’ils décident de<br />
s’approprier, à l’image de BMW, la brique<br />
technologique manquante (de la conception<br />
à l’usage et la durée de vie en passant<br />
par la production), cela deviendra pour les<br />
constructeurs un véritable avantage concurrentiel<br />
de pouvoir « plugger » un élément<br />
de structure en composite ici ou là, en fonction<br />
du comportement du véhicule ou de la<br />
réduction de masse à certains endroits bien<br />
précis. Qu’il s’agisse des pièces de suspensions,<br />
d’absorption de chocs et des crash-tests,<br />
les composites thermoplastiques (domaine de<br />
prédilection du Cetim, à l’opposé des thermodurcissables<br />
plus populaires en Allemagne)<br />
ne présentent aucun problème.<br />
Une solution unique au monde<br />
« Les industriels américains de l’automobile considèrent désormais<br />
les composites comme une véritable opportunité alors que trois ans<br />
plus tôt, l’usage de ces mêmes matériaux faisait rire les ingénieurs. »<br />
Le point fort de la ligne QSP est d’être le<br />
fruit d’une créativité forte entre le Cetim<br />
et ses partenaires, créativité qu’attendait<br />
en particulier l’automobile allemande. Une<br />
solution unique au monde qui, faut-il le<br />
rappeler, n’a pu voir le jour sans l’implication<br />
de la région Pays de la Loire dans le<br />
projet et, plus globalement, dans l’émergence<br />
d’un écosystème autour des composites<br />
rassemblant industriels de renom<br />
(à commencer par Airbus), plateformes<br />
technologiques, laboratoires de recherche<br />
académique et industrielle, jusqu’à cette<br />
32 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
spécial composites dossier<br />
« Pour faire la chasse<br />
aux derniers kilos, les<br />
constructeurs n’auront<br />
d’autre choix que de<br />
se tourner vers les<br />
composites. »<br />
ligne de production haute cadence de<br />
pièces composites.<br />
Un autre avantage de ce procédé réside<br />
dans sa cadence : une pièce par minute. En<br />
d’autres termes, produire de nombreuses<br />
pièces à moindre coût. Comment ? En<br />
concentrant toute la valeur ajoutée en<br />
un seul et unique lieu, puis d’appliquer<br />
le principe de la fabrication mécanique<br />
en ligne et automatisée que l’on connaît<br />
depuis des dizaines d’années sur des pièces<br />
de structure en composite. « Ce que nous<br />
vendons à nos clients, composés d’industriels<br />
de toutes tailles, c’est de la performance,<br />
précise Jérôme Hubert, directeur général<br />
de PEI. Car ce qui intéresse le client, c’est<br />
la compacité, la technologie – qui ne doit<br />
pas être éloignée de ce que ses ingénieurs<br />
connaissent – et le bilan économique en<br />
termes de ROI et de prix/pièce ». Au niveau<br />
des gains de masse, on arrive très vite à<br />
30 % voire à 50 % sur certaines pièces.<br />
Aujourd’hui, l’industriel espère beaucoup<br />
de l’automobile allemande mais aussi des<br />
constructeurs français et étrangers. « Je<br />
suis certain que ce principe va marcher et<br />
rapidement, confie Jérôme Hubert. Nous<br />
sommes déjà très sollicités en Europe mais<br />
également par le Japon, la Corée du Sud et<br />
les États-Unis ». Exemple de pièces : outre<br />
le triangle de suspension qui avait défrayé<br />
la chronique il y a deux ans sur le salon Jec<br />
Europe, le QSP peut tout produire, des pieds<br />
milieu aux cadres de sièges… Associé à deux<br />
autres industriels (Compose et Loiretech,<br />
spécialisées dans l’outillage), PEI Pinette<br />
est aujourd’hui prêt à commercialiser cette<br />
solution dont les montants peuvent varier<br />
de 2 à 10 M€ pour une ligne complète (de<br />
la réception de la matière à la pièce fi ie). ●<br />
Olivier Guillon<br />
Actuellement, la vitesse de la ligne atteint entre 1 et 1,5 mètre<br />
par minute mais celle-ci va très vite évoluer en 2016<br />
à 3 mètres par minute afin de répondre à la demande des industriels.<br />
Le procédé QSP s’est vu décerner un « Innovation Award »<br />
à l’occasion du Jec America de Houston en juin dernier.<br />
Phase robotisée du process.<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I33
mesures<br />
spécial composites<br />
En pratique<br />
Vis Instrumentées et ultrasons :<br />
serrage des structures composites<br />
Depuis plus de dix ans, la société AMG Intellifast GmbH développe des systèmes de<br />
mesure de la tension de serrage permettant de maîtriser les forces appliquées dans les<br />
assemblages vissés. Cet article propose un exemple de mise en œuvre de leur technologie<br />
de vis instrumentée dans le domaine des assemblages en composite. En effet, bien plus<br />
que dans d’autres domaines, la maîtrise du serrage de pièces en composite nécessite de gérer<br />
d’une manière plus précise la tension appliquée sous peine de dégradation de la structure.<br />
Abstract<br />
For more than ten years, AMG Intellifast GmbH develops<br />
clamp load measurement systems allowing the control of<br />
the applied forces in the bolted joint. This article proposes<br />
an example of application of their PMTS (Permanent<br />
Mounted Transducer System) technology in the domain of<br />
CRP. Indeed, more than for other domains, the control of<br />
the tightening of composite parts requires to manage with<br />
more accuracy the applied clamp load at the risk structure<br />
damage.<br />
Mots-clés :<br />
Vis instrumentée, tension de serrage, composite<br />
Les matériaux composites, quels qu’ils soient, ont pris de<br />
l’ampleur depuis quelques années, poussés par l’utilisation<br />
massive dans certaines industries telles que l’aéronautique<br />
et l’automobile, pour ne citer qu’elles. Au-delà<br />
de l’indéniable qualité des composites de pouvoir réduire le poids<br />
des pièces et des structures, il a bien entendu fallu faire face à des<br />
problématiques de tenue globale et locale en fonction des cycles<br />
de vies : production, assemblage, utilisation fi ale et maintenance.<br />
Nous allons aborder dans cet article le cas de la tenue locale du<br />
composite au moment de l’assemblage par serrage en regardant<br />
les contraintes auxquels il peut être soumis. Nous aborderons<br />
aussi le sujet sous un l’angle de la simulation numérique. Enfin<br />
nous montrerons comment la technologie proposée par AMG<br />
Intellifast peut aider à maîtriser le serrage des composites.<br />
par un serrage trop élevé, les objectifs lors de l’assemblage<br />
sont d’obtenir un minimum de compression à l’interface de<br />
serrage, d’installer la tension souhaitée dans les vis, généralement<br />
par l’application d’un couple, et enfin d’avoir une<br />
faible pré-tension sur le boulon afin qu’il puisse garder une<br />
forte résistance en cisaillement.<br />
Pour un assemblage vissé, le principe fondamental est d’installer<br />
une tension dans le boulon qui va permettre de maintenir<br />
ensemble deux éléments ou plus. L’application de cette tension<br />
par l’intermédiaire d’un couple impacte la dispersion sur cette<br />
tension de serrage en majeure partie à cause des frottements<br />
sous tête et dans les filets.<br />
Dispersion due<br />
aux frottements<br />
Afin de garantir un contrôle optimum sur la tension, AMG<br />
Intellifast propose une solution de vis instrumentées couplées<br />
à une mesure par ultrasons. Le principe de cette technologie<br />
Principe fondamental<br />
pour un assemblage vissé<br />
Connaissant la faible tenue en traction et en compression<br />
ainsi que la difficulté de réparer un composite endommagé<br />
Vis instrumentées<br />
34 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
spécial composite dossier<br />
spécial composites<br />
mesures<br />
Donnez vie<br />
à vos projets<br />
MICROÉLECTRONIQUE<br />
NANOTECHNOLOGIES<br />
OBJETS CONNECTÉS<br />
CAPTEURS<br />
M2M<br />
OPTIQUE / PHOTONIQUE<br />
BADGE GRATUIT<br />
www.enova-event.com<br />
8-9 JUIN 2016<br />
ANGERS - PARC DES EXPOSITIONS<br />
14-15 SEPTEMBRE 2016<br />
PARIS EXPO - PORTE DE VERSAILLES<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I35
mesures<br />
spécial composites<br />
est de déposer un capteur permanent sur les vis afin de pouvoir<br />
réaliser des mesures à tout moment, que ce soit avec des outils<br />
de serrage que dans la vie courante d’utilisation.<br />
Résultats de calcul<br />
Ces capteurs sont utilisés pour générer une onde ultrasonore<br />
dont on va mesurer le temps de parcours dans la vis. Ce temps<br />
est impacté par l’élongation de la vis et les contraintes internes<br />
et, suite à un étalonnage, il sera possible de mesurer directement<br />
la tension de serrage.<br />
Les résultats de calcul que nous allons montrer dans ce qui suit<br />
vont illustrer d’une part la dispersion que l’on peut avoir sur l’effort<br />
lorsqu’on sert au couple en comparaison avec le serrage à<br />
la tension et, d’autre part, les différents niveaux de contraintes<br />
et de stress engendrés par les serrages.<br />
Le modèle généré par la société GCT – qui a mené les calculs –<br />
est un modèle 3D représentant un assemblage composite classique<br />
: deux plaques composites serrées par une vis en titane de<br />
diamètre 6,35 mm.<br />
Pr = pas de la vis (1 mm)<br />
d2 = diamètre de la vis (6,35 mm)<br />
da = moyenne des diamètres de la tête et du corps de la vis<br />
d a<br />
=<br />
D a + D i<br />
2<br />
Da = diamètre de la tête de vis (11,2 mm)<br />
Di = diamètre du corps de la vis (6,35 mm)<br />
µ’ et µa = coefficient de frottement dans les filets et sous tête<br />
compris entre 0,08 et 0,21<br />
Les frottements sous tête et dans les filets ont été considérés<br />
comme équivalents. Pour un couple nominal de 2 147 Nm, le<br />
calcul de la tension a été réalisé avec deux cas de frottements<br />
extrêmes (0,08 et 0,21) et la valeur nominale de 2 018 N représente<br />
la moyenne des deux efforts résultant du calcul. Il s’en suit<br />
une dispersion sur l’effort d’environ ± 40%. Si l’on compare à<br />
la dispersion moyenne que l’on peut obtenir avec la technologie<br />
Intellifast, c’est-à-dire ± 5%, on obtient le tableau de résultats<br />
suivant.<br />
Résultats des calculs analytiques<br />
Modèle composé de deux plaques composites et d’un boulon<br />
en titane de 6,35 mm<br />
Un matériau 3D orthotropique est utilisé pour défi ir les<br />
plaques et la vis. Les propriétés pour chaque plaque sont définies<br />
couche par couche en tenant compte de l’orientation de<br />
chacune d’entre elles. Concernant la vis, les mêmes propriétés<br />
mécaniques sont implémentées dans les trois directions<br />
normales. L’impact de la température n’est pris en compte que<br />
sur la direction Z par l’application d’un coefficient de dilatation<br />
non-nul.<br />
Le calcul analytique de départ donnant la relation entre<br />
la tension et le couple est basé sur une équation de Gustav<br />
Niemann « Machinen – elemente ».<br />
P =<br />
T<br />
0,16 xp +<br />
+ 0,5 xμxd 2<br />
+ 0,5 xμ 2<br />
xd 2<br />
P = tension dans le boulon (N)<br />
T = couple (Nm)<br />
Ces valeurs vont être les données d’entrée dans le modèle EF<br />
décrit ci-avant afin de calculer les niveaux de pression et de<br />
contraintes surfaciques et volumiques.<br />
Les premiers résultats des calculs EF concernent les<br />
contraintes en surface sur la couche supérieure dans la zone<br />
autour du trou de vis. Ils montrent un très net écart entre les<br />
valeurs minimales et maximales lorsqu’on serre l’assemblage<br />
au couple. Par rapport à l’état nominal où le calcul donne<br />
une valeur de – 3,93.10 –3 , la valeur de contrainte minimale<br />
est à – 2,39.10 –3 et la valeur maximale est de – 5,46.10 –3 .<br />
Cet écart est en lien avec la dispersion sur l’effort issu du<br />
calcul analytique puisque l’on retrouve – 40% sur le minimal<br />
et + 39 % sur le maximal. Le constat est le même pour<br />
le calcul avec les valeurs de serrage à la tension puisque le<br />
minimal est à – 5% du nominal et la valeur maximale est à<br />
+ 6 % du nominal.<br />
Les calculs de pression surfacique montre également que les<br />
écarts sont plus importants dans le cas d’un serrage contrôlé<br />
par le couple.<br />
La seconde partie des calculs concerne toujours la zone autour<br />
du trou de la vis mais plutôt d’un point de vue volumique. La<br />
coupe pour visualiser l’étendue des contraintes ainsi que la<br />
répartition des niveaux permet de voir où se situe la valeur<br />
maxi de contrainte. Nous constatons à nouveau que des écarts<br />
sont importants sur les niveaux de contraintes entre les valeurs<br />
36 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
spécial composites<br />
mesures<br />
Impact comparé du serrage au couple ou à la tension<br />
sur les contraintes en surface<br />
minimum et maximum lorsqu’on serre l’assemblage au couple<br />
car on génère des efforts maximums qui sont à plus du double<br />
de la valeur minimum. Dans le cas d’une gestion du serrage à la<br />
tension, l’écart Maxi/Mini n’est plus que de 1,1. Au-delà de ces<br />
valeurs, les calculs montrent également que si l’on serre la vis en<br />
contrôlant la tension, la répartition volumique des contraintes<br />
varie beaucoup moins et permet ainsi de ne pas soumettre le<br />
composite à de trop grandes variations de contraintes internes<br />
à la fois sous la tête de vis mais également sur toute l’épaisseur<br />
de la plaque.<br />
conditions de serrage où la tension d’assemblage serait minimum,<br />
soit 1 229 N dans le tableau précédent.<br />
Si l’on considère ce P min<br />
obtenu avec le serrage au couple comme<br />
étant le P min<br />
obtenu avec le contrôle à la tension, on pourrait<br />
placer le P max<br />
à environ 10 % au-dessus. D’autre part, si à P min<br />
, la<br />
pression dans la section transversale du boulon est supérieure<br />
à celle requise pour celui-ci, on peut envisager de réduire le<br />
diamètre du boulon afin de diminuer la pression dans la section.<br />
Dans le même temps, le trou dans les plaques de composite<br />
serait réduit entraînant sans doute une meilleure tenue mécanique<br />
dans le temps par rapport aux sollicitations en compression<br />
et cisaillement.<br />
La réalisation du serrage en contrôlant la tension au lieu du<br />
couple est facilitée par les outils que propose Intellifast. En<br />
effet, en complément des vis instrumentées, l’utilisation d’une<br />
clé dynamométrique équipée d’une pinoche de contact permet<br />
d’activer le capteur disposé sur la vis en même temps que l’on<br />
effectue le serrage.<br />
Système Intellifast de mesure<br />
de la tension de serrage<br />
Impact comparé du serrage au couple ou à la tension<br />
sur les contraintes dans l’épaisseur de la plaque composite<br />
Ce que l’on retient de ces résultats de calculs<br />
Concernant les pressions, la répartition des niveaux et points<br />
maximums est différente mais le constat fi al reste le même sur<br />
l’écart entre le serrage maximum et minimum. La conclusion<br />
qui a été tirée de ces calculs est la suivante : dans le but de serrer<br />
les plaques composites avec un minimum d’effort afin d’assurer<br />
leur maintien tout en évitant d’engendrer des contraintes<br />
qui endommagerait le composite, il faudrait se placer dans les<br />
On obtient donc pendant le processus d’assemblage trois<br />
mesures simultanées : couple, angle et tension de serrage<br />
par ultrasons. Ce procédé peut dans un premier temps vous<br />
permettre de mesurer la relation entre le couple appliqué et l’effort<br />
réellement installé dans la vis.<br />
Ensuite, vous pouvez utiliser le système pour contrôler périodiquement<br />
la tension de serrage après tassement puis en cours de<br />
vie du produit. De plus, certains systèmes multivoies développés<br />
chez Intellifast sont capables de suivre en temps réel et en<br />
simultanée l’évolution statique ou dynamique (jusqu’à 400 Hz)<br />
de la tension dans plusieurs boulons.<br />
Pour simplifier le suivi des boulons que vous mesurez, il existe<br />
la possibilité d’ajouter un code datamatrix en complément du<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I37
mesures<br />
spécial composites<br />
Exemple de relation Couple/Tension chez un client aéronautique<br />
d’Intellifast<br />
capteur pour une meilleure traçabilité de vos assemblages et des<br />
mesures que vous réalisez. De plus, la tenue face aux agressions<br />
physico-chimiques des capteurs, validée par le TÜV vis-à-vis<br />
du brouillard salin et de la température, donne la possibilité de<br />
réaliser des mesures sur des cycles de vie très longs.<br />
Quelques conclusions…<br />
PUB ANALYSE 190x125 N°1524:Mise en page 1 08/01/16 16:13 Page1<br />
Nous avons vu qu’au travers de ces calculs, la technologie Intellifast<br />
permettait de prendre des hypothèses d’effort d’assemblage<br />
moins dispersées que si l’on se plaçait dans un processus<br />
de serrage classique au couple. Ainsi, il est possible de gérer les<br />
efforts aux interfaces et dans les boulons de manière plus précise :<br />
• en fix nt d’abord un effort de serrage minimum permettant<br />
à l’assemblage de ne pas être endommagé par des contraintes<br />
trop élevées ;<br />
• en appliquant ensuite une dispersion théorique voire mesurée<br />
en lien avec la technologie Intellifast pour positionner la valeur<br />
de tension de serrage maximum ;<br />
• en optimisant la taille des vis et le trou de fix tion dans le<br />
matériau composite.<br />
On atteint au fi al une compression minimum aux interfaces<br />
avec un serrage piloté à l’effort puisque la vis est préchargée de<br />
manière légère et cela contribue à l’amélioration de la tenue<br />
en cisaillement. Un effet bénéfi ue provient logiquement de la<br />
réduction de masse issue de la réduction de la taille de vis et<br />
par conséquent un gain possible sur les coûts. Enfin, le système<br />
Intellifast permet par sa facilité d’exploitation une réduction<br />
du temps d’assemblage, de maintenance et d’inspection. ●<br />
Jean-Philippe Godin<br />
(consultant Polymesure)<br />
et Frank Scheuch (Managing Director, AMG Intellifast<br />
GmbH Xxx, GCT)<br />
EXPOSITION - CONFÉRENCES - ATELIERS<br />
EXHIBITION - CONFERENCES - WORKSHOPS<br />
29 ème édition<br />
29 th edition<br />
Le salon des solutions en analyse industrielle<br />
The Industrial analysis trade show<br />
Nouveau lieu ! / New location!<br />
30 & 31 mars 2016<br />
March 30 & 31, 2016<br />
Espace Grande Arche<br />
Paris la Défense<br />
Demandez dès maintenant votre badge visiteur gratuit sur :<br />
www.analyse-industrielle.fr<br />
@AnalyseInd
THERMOGRAPHIE INFRAROUGE<br />
spéCIAl CoMposItEs<br />
MEsurEs<br />
DES CAMERAS POUR TOUTES VOS APPLICATIONS<br />
APPLICATIONS INDUSTRIELLES<br />
CAMÉRAS PORTATIVES - TEMPS RÉEL - NON REFROIDIES<br />
Série Professionnelle<br />
Matrices : 200 x 150 p<br />
240 x 180 p - 320 x 240 p<br />
Série Experte<br />
Matrice : 320 x 240 p<br />
VarioCAM® HD<br />
Matrices: 640 x 480 p<br />
1024 x 768 p<br />
APPLICATIONS RECHERCHES &DEVELOPPEMENTS<br />
CAMÉRAS NON REFROIDIES - REFROIDIES<br />
VarioCAM® HD Head<br />
Matrice : 640 x 480 p<br />
1024 x 768 p<br />
ImageIR®<br />
(caméra refroidie)<br />
Matrices : 320 x 256 p - 640 x 512 p<br />
1280 x 1024 p<br />
Accompagnement et services personnalisés :<br />
Définition du besoin - Configuration du système - Formation<br />
dB Vib Instrumentation—Montée de Malissol –38200 VIENNE<br />
Tél. : 04 74 16 18 80 www.dbvib-instrumentation.com<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I39
mesures<br />
spécial composites<br />
Solutions<br />
Strain Measurement<br />
Techniques<br />
for Composites<br />
Coupon Testing<br />
Characterization of the properties of anisotropic and inhomogeneous composite materials<br />
for use in demanding structural applications requires a wide range of mechanical tests.<br />
Furthermore, tests need to be conducted over a range of temperatures on materials conditioned<br />
in a variety of different environmental conditions. The measurement of strain is a key<br />
requirement in tests to determine, and monitor, tension, compression, and shear properties.<br />
Currently, most approaches to<br />
strain measurement in Composites<br />
Coupon testing use contacting<br />
methods involving bonded<br />
strain gauges or clip-on extensometers.<br />
Recent developments in non-contacting<br />
strain measurement mean these systems<br />
now offer similar performance to traditional<br />
contacting systems, as well as providing<br />
significant other benefits such as the ability<br />
to provide full field strain maps.<br />
General Aspects of Strain<br />
Measurement for Coupon<br />
Testing<br />
rally uniform, so either local strain can be<br />
measured using a strain gauge or an average<br />
strain over an extended gauge length can be<br />
measured using an extensometer. In some<br />
cases the small size of the specimen gauge<br />
section used in unsupported compression<br />
tests may prevent the use of extensometers<br />
and require the use of strain gauges.<br />
Tests to determine shear properties (e.g.<br />
In Plane Shear, Rail Shear, and Vee-Notch<br />
Shear tests) require the measurement of<br />
shear strain. Shear strain can be determined<br />
from measurements of axial and transverse<br />
strain. In Vee-Notch Shear tests the<br />
strain distributions are non-uniform with<br />
the strain being concentrated between the<br />
notches; accurate measurements of these<br />
local strains requires the use of strain gauges.<br />
Strain gauges<br />
Bonded strain gauges are still widely used to<br />
measure the strain in Composite Coupons.<br />
The strain gauges in common use consist of<br />
thin metal foil grids mounted on an insulating<br />
backing and their operation relies<br />
on the change in resistance of an electrical<br />
conductor subject to an applied strain. The<br />
changes in the resistance of a strain gauge at<br />
the strain levels encountered in Composites<br />
Measurement of axial strain in tension<br />
tests can be achieved using a single strain<br />
measurement on one side of the specimen;<br />
however, more consistent and accurate<br />
results can be achieved by using the<br />
average of a pair of measurements on opposite<br />
sides of the test specimen, in order to<br />
compensate for the effects of bending due<br />
to misalignment. For compression testing<br />
the use of an average strain value derived<br />
from measurements on opposite sides of<br />
the specimen is required by most standards.<br />
In principle, since the strains in tension<br />
and compression test specimens are genetesting<br />
(typically 3 %) is small and specialist<br />
strain gauge conditioning electronics<br />
is required to provide accurate measurements.<br />
The sensitivity of the gauge (known<br />
as the Gauge Factor) is required in order<br />
for the correct calibration of the measurement<br />
system; this information is provided<br />
by the manufacturer of the gauges. In order<br />
to make accurate measurements, strain<br />
gauges must be correctly aligned and carefully<br />
bonded to the surface of test specimens<br />
(with specimens that have been wet conditioned,<br />
this can be difficult). Strain gauges<br />
are mainly sensitive to strains in the direction<br />
parallel to gauge grid; however, they<br />
are also somewhat sensitive to transverse<br />
strains i.e. strains at right angle to the grid<br />
and, when testing composite materials with<br />
wide variations in Poisson’s ratio, this can<br />
cause significant errors. Strain gauges are<br />
available in a variety of forms as either single<br />
gauge or as pre-aligned gauge combinations<br />
known, generically, as rosettes. Foil Strain<br />
gauges can be used over a range of temperatures<br />
from cryogenic to over 200 ⁰C.<br />
Although Strain Gauges can provide very<br />
accurate strain measurements, they are a<br />
consumable item and are costly in terms<br />
of both materials and the skilled labour<br />
needed to apply them.<br />
40 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
spécial composites<br />
mesures<br />
Clip-on Extensometers<br />
Clip-on extensometers are widely used in<br />
the testing of Composites Coupons. They<br />
are designed to attach to the Coupon and<br />
measure engineering strain by determining<br />
displacement over a fi ed gauge length. For<br />
composites testing, the most commonly<br />
used gauge lengths are 25 mm and the<br />
maximum strain is generally less than 5 %.<br />
Most clip-on extensometers use strain<br />
gauged flexures to measure displacement,<br />
these extensometers can be used from<br />
cryogenic temperatures to about 200 °C.<br />
Operation above 200 °C requires either<br />
some form of cooling (e.g. water or air) or<br />
the use of a transducer capable of operating<br />
at the test temperature. An example of a<br />
high-temperature extensometer employing<br />
a capacitive sensor and capable of operating<br />
at up to 600 °C is shown in Figure-1.<br />
axial strain eliminates strain measurement<br />
errors arising from the presence of bending<br />
in the test specimen caused by alignment<br />
errors in the load string.<br />
Measurement of shear strains and Poisson’s<br />
ratio requires the simultaneous measurement<br />
of axial and transverse strain. Transverse<br />
clip-on extensometers are similar<br />
in design to axial types but they measure<br />
the change in width of the test specimen.<br />
Biaxial extensometers, which integrate both<br />
axial and transverse extensometers in to a<br />
single unit, are available and these units are<br />
more convenient to attach than two separate<br />
extensometers. An example of a Biaxial<br />
Extensometer is shown in Figure-2.<br />
a set of arms that contact the specimen<br />
and link directly to a high-accuracy linear<br />
measurement transducer. Typically an<br />
automatic extensometer will be provided<br />
with an ability to engage and disengage<br />
from a test specimen and change the<br />
gauge length. An example of an Automatic<br />
Extensometer is shown in Figure-3.<br />
Figure 1 – High Temperature Clip-on<br />
Extensometer<br />
In addition to single axial clip-on extensometers<br />
a number of other types of extensometers<br />
are commonly used for composites<br />
testing.<br />
The averaging axial clip-on extensometer<br />
uses a pair of axial extensometers positioned<br />
on either side the specimen. The<br />
measurements from the extensometers are<br />
then averaged. The measurement of average<br />
Figure 2 – Biaxial Clip-on ExtensometerClip-on<br />
extensometers can provide accurate<br />
strain measurements and are very cost<br />
effective when compared to strain gauges;<br />
however they do require careful handling<br />
and attachment. With any type of clip-on<br />
extensometer the effect of energetic specimen<br />
breaks on the long term reliability of the<br />
extensometer should be considered and, if<br />
possible, the extensometer should be removed<br />
from the specimen prior to failure.<br />
Automatic Extensometers<br />
Automatic Extensometers are contacting<br />
types incorporating remote control<br />
of many or all of the extensometer functions.<br />
These extensometers are used within<br />
a wide application range of high-volume<br />
tensile testing and are an essential part of<br />
many fully-automated (robotic) testing<br />
systems. Automatic extensometers have<br />
Figure 3 – Automatic Extensometer<br />
Use of an Automatic Extensometer reduces<br />
the influence of the operator and improves<br />
the consistency of test results. Auto matic<br />
extensometers are also more robust than<br />
clip-on types and can be automatically removed<br />
from the test specimen prior to failure.<br />
Non-Contact Video<br />
Extensometers<br />
Non-Contact Video Extensometers<br />
utilize high-resolution digital cameras<br />
and real-time image processing to track<br />
the movement of contrasting marks on a<br />
test coupon. Strain is determined from the<br />
change in the distance between the marks<br />
divided by the initial mark separation.<br />
As mentioned earlier in this article, a high<br />
proportion of composites coupon testing<br />
is performed at non-ambient temperatures<br />
with the coupon and test fix ures<br />
located inside a temperature chamber. One<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I41
MESURES<br />
SPÉCIAL COMPOSITES<br />
of the key advantages of a non-contact<br />
approach to strain measurement is having<br />
the camera located outside the chamber<br />
viewing the specimen through a window,<br />
keeping the measurement system isolated<br />
from the hostile environment – Figure 4.<br />
Figure 4 – Non-Contact Video Extensometer<br />
mounted outside a Temperature cabinet<br />
Video Image based measurement systems<br />
need to include suitable illumination in<br />
order to eliminate the influence of changes<br />
in ambient illumination on the measurement.<br />
Means of calibration are also<br />
required to correct for optical distortions<br />
(e.g. from lenses or chamber windows).<br />
An effective calibration method is the use<br />
of a precision grid target<br />
Along with Automatic Extensometers,<br />
Non-Contact Video Extensometers reduce<br />
the influence of the operator improving<br />
the consistency of test results. The absence<br />
of contact with the coupon means that<br />
there is no possibility of the extensometer<br />
influencing the material behavior or of<br />
the extensometer being damaged by the<br />
energy released when the coupon fails.<br />
fULL-fIELd STrAIN MEASUrEMENT<br />
An exciting development in non-contact<br />
strain measurement is the availability of<br />
systems capable of measuring Full-Field<br />
Strain distributions. The most widely used<br />
approach to Full-Field Strain Measurement<br />
is Digital Image Correlation (DIC). This<br />
technique works by applying a random<br />
pattern to the surface of a test specimen,<br />
capturing a series of images of a specimen<br />
during a test and then analyzing the images<br />
with an algorithm that determines fi st<br />
the displacement field and then the strain<br />
field for each image. The number of images<br />
captured during a test depends on time,<br />
speed, and the sample, but between 50<br />
and 100 images are usually adequate. The<br />
fi st image – also known as the reference<br />
image – is captured when there is no strain<br />
on the sample. The image is then split into<br />
small subsets and the patterns within each<br />
subset of subsequent images are compared<br />
to the reference image and displacements<br />
are calculated. From these displacements,<br />
a strain map is calculated. The strain maps<br />
of all the strain components (axial, transverse,<br />
shear strain), along with maximum<br />
and minimum normal strains can be determined.<br />
Example Strain maps for an Open<br />
Hole Composite Tensile Test Coupon are<br />
shown in Figure-5.<br />
measurement systems (force, displacement,<br />
and temperature) is how to synchronize and<br />
record all of the test data. One recent, integrated,<br />
DIC system for use with material<br />
testing machines has solved this problem by<br />
synchronizing the recording of the images<br />
and the other test data digitally.<br />
Compared to traditional methods of local<br />
strain (e.g. strain gauges) or average strain<br />
over a large gauge length (e.g. Extensometers)<br />
measurement, Full-Field Strain<br />
measurement yields an enormous amount<br />
of additional information that can help<br />
engineers and scientists better understand<br />
material behavior.<br />
cONcLUSION<br />
Strain gauges and contacting extensometers<br />
will continue to have a major role is composites<br />
testing. Generally, extensometers are<br />
preferred because of their ease of use and<br />
lower costs; however, there are situations<br />
where strain gauges are still required.<br />
Non-contact strain measurement systems<br />
now offer accuracies similar to traditional<br />
contacting extensometers whilst providing<br />
Figure 5 – DIC Axial and shear strain maps for an open hole specimen<br />
Even efficient DIC Algorithms require a<br />
large amount of computing power and it is<br />
not possible to perform the analysis in real<br />
time i.e. during the test – the usual approach<br />
is to acquire and store the images during the<br />
test and then perform the analysis after the<br />
test. One challenge when using DIC systems<br />
with testing machines that incorporate other<br />
practical advantages in terms of operation<br />
and robustness. Furthermore, the availability<br />
of non-contact Full-Field Strain<br />
measurement tools is opening up new<br />
ways of understanding the behavior of<br />
Composite materials. ●<br />
Ian McEnteggart, Instron Composites<br />
Market Manager<br />
42 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
spécial composites<br />
mesures<br />
Expertise<br />
Études et traitements<br />
contre les nuisances sonores<br />
dans l’environnement<br />
La proximité d’activités industrielles et de zones d’habitation constitue une condition propice<br />
à l’apparition de conflits dus aux nuisances sonores. L’expertise conjointe de dBVib Consulting<br />
et dBVib Ingénierie permet de résoudre les problèmes de bruit en leur apportant des solutions<br />
optimisées.<br />
Pour les Installations classées pour la protection de l’environnement<br />
(ICPE), l’arrêté du 23 janvier 1997 permet<br />
de défi ir un cadre législatif qui fi e des niveaux sonores<br />
limites admissibles pour le voisinage et un niveau maximal<br />
d’émergence du bruit des installations par rapport au bruit<br />
ambiant.<br />
Les émissions sonores d’une installation classée ne doivent<br />
pas engendrer dans les zones à émergence réglementée une<br />
émergence supérieure aux valeurs admissibles fi ées dans le<br />
tableau suivant :<br />
Niveau de<br />
bruit ambiant<br />
existant en ZER<br />
(incluant le bruit<br />
de l’établissement)<br />
> 35 dB(A) et<br />
≤ 45 dB(A)<br />
Émergence<br />
admissible entre<br />
7 h et 22 h sauf<br />
dimanches et jours<br />
fériés<br />
6 dB(A) 4 dB(A)<br />
> 45 dB(A) 5 dB(A) 3 dB(A)<br />
Émergence<br />
admissible entre<br />
22 h et 7 h ainsi que<br />
dimanches et jours<br />
fériés<br />
Les niveaux admissibles en limites de propriété ne peuvent<br />
excéder 70 dB(A) pour la période de jour et 60 dB(A) pour la<br />
période de nuit, sauf si le bruit résiduel pour la période considérée<br />
est supérieur à cette limite.<br />
Atténuation du silencieux<br />
Dans sa démarche, dBVib Ingénierie intervient pour le dimensionnement<br />
des différents traitements en intégrant les données<br />
acoustiques, les caractéristiques propres du site, les tenues mécaniques,<br />
les revêtements, l’accessibilité, les pertes de charges…<br />
Par exemple concernant le dimensionnement des silencieux<br />
d’échappement, dBVib Ingénierie calcule l’atténuation du silencieux<br />
et son type ainsi que sa vitesse maximale. Il est possible<br />
de défi ir le diamètre nominal du silencieux et le type de matériaux<br />
à utiliser.<br />
Les règles de calcul liées à la vitesse du fluide restent valables.<br />
Le bruit aéraulique doit rester négligeable.<br />
Calcul des solutions<br />
Les silencieux sont ensuite calculés par éléments fi is à l’aide<br />
du logiciel Virtual Lab.<br />
Démarche de l’étude dBVib Consulting<br />
L’étude réalisée par dBVIb Consulting consiste à quantifier les<br />
émergences en ZER pour déterminer les gains acoustiques à<br />
obtenir, quantifier les sources de bruit pour utiliser ces valeurs<br />
dans le modèle puis modéliser le site à l’aide du logiciel IMMI<br />
avant de défi ir des solutions de traitement (capotage, écran,<br />
silencieux…) et les optimiser.<br />
Dimensions des solutions<br />
Test des solutionS<br />
Après conception et avant implantation sur site, les silencieux<br />
sont testés sur place ou chez le fournisseur afin de vérifier leur<br />
efficacité. Plusieurs méthodes peuvent être utilisées comme<br />
les mesures in situ (perte par insertion ou par transmission)<br />
méthode en conduit, ou en laboratoire (perte par insertion ou<br />
par transmission). ●<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I43
mesures<br />
Cas client<br />
L’Onera réduit ses temps<br />
d’essais grâce à des capteurs<br />
L’une des missions du département Aéroélasticité et dynamique des structures de l’Onera<br />
est de procéder aux essais vibratoires au sol d’aéronefs. Plusieurs centaines d’accéléromètres<br />
sont alors mis en œuvre. L’Onera a opté pour les accéléromètres de PCB Piezotronics.<br />
Au-delà de leur fiabilité, leur compacité et leur précision, c’est le large panel proposé<br />
au niveau de leurs spécifications qui a orienté le choix du centre de recherche.<br />
Campagne d’essais de vibrations au sol<br />
de l’A320 NEO à Toulouse – © Airbus.<br />
Ce n’est un secret pour personne : l’Onera – centre<br />
français de recherche aérospatiale et de défense –<br />
est une référence dans son domaine. Cet organisme<br />
pluridisciplinaire doté de moyens d’expérimentation<br />
sans équivalent en Europe met ses compétences au service<br />
des agences de programmes, des institutionnels et des industriels.<br />
Son département Aéroélasticité et dynamique des structures<br />
dispose notamment d’une quarantaine d’excitateurs de<br />
petites et grandes tailles pour répondre à la grande diversité des<br />
demandes des industriels tels qu’Airbus, Dassault, Eurocopter,<br />
Snecma, etc. « Nous avons réalisé les essais de vibrations au sol<br />
de tous les Airbus assemblés à Toulouse depuis 1972, rapporte<br />
Stéphane Giclais, responsable projets en dynamique des structures<br />
expérimentale au sein de ce département. Les trois derniers<br />
en date : l’A380 en 2005, l’A350 en 2013 et l’A320 Neo en 2014 ».<br />
L’une des missions de cette entité est de développer des<br />
méthodes de prédiction du comportement dynamique des<br />
structures pour mieux calculer ou prédire leur comportement<br />
mécanique aux sollicitations aérodynamiques instationnaires<br />
(vibratoires) des aéronefs. Son rôle est de procéder aux essais<br />
de vibrations au sol des avions ou de tout autre système tel<br />
qu’un train d’atterrissage ou une aube de turbine. « Ces essais<br />
permettent de valider le modèle mathématique de l’avion complet<br />
ou d’une partie de celui-ci, et de prédire si les structures volantes<br />
vont résister aux sollicitations vibratoires pendant le vol, explique<br />
Pascal Lubrina, également responsable projets en dynamique<br />
des structures expérimentale au sein du département Aéroélasticité<br />
et dynamique des structures de l’Onera. Car toutes<br />
turbulences, chocs ou manœuvres brutales peuvent conduire à<br />
des vibrations qui peuvent soit s’amortir et s’annihiler, soit au<br />
contraire s’amplifier jusqu’à la casse ».<br />
Instrumenter les équipements<br />
avec des capteurs fiables<br />
pour un travail en flux<br />
tendu<br />
Pour mener à bien ces essais, il est essentiel de solliciter la structure<br />
avec les excitateurs électrodynamiques adaptés, positionnés<br />
à différents endroits, et mesurer les réponses vibratoires.<br />
À partir de l’analyse des fonctions de transfert représentant<br />
les réponses en fonction des stimuli, les ingénieurs de l’Onera<br />
construisent un modèle modal représentatif du comportement<br />
dynamique de la structure. Ce qui réclame la mise en place<br />
de centaines de capteurs (allant de 500 à 800 sur Airbus), de<br />
conditionneurs et d’un système d’acquisition et de post-traitement<br />
des données performant. « Nous travaillons de plus en<br />
plus en flux tendu. Les données sont post-traitées in situ pendant<br />
la campagne d’essais. La consolidation finale est ensuite réalisée<br />
dans nos laboratoires », précise Stéphane Giclais.<br />
Les équipes de l’Onera réalisent le post-traitement des données<br />
et l’analyse modale à partir d’outils du commerce qui adressent<br />
correctement les comportements vibratoires conventionnels et<br />
44 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015
mesures<br />
« Pour l’Onera, les capteurs sont des éléments<br />
cruciaux […]. Grâce aux technologies ICP<br />
et TEDS, la durée d’installation d’essai a été<br />
réduite de 20 %. »<br />
de méthodes développées en interne lorsque la réponse de la<br />
structure ne peut pas être correctement décrite par les modèles<br />
mathématiques traditionnels.<br />
On le voit, les capteurs sont des éléments cruciaux. Le centre de<br />
recherche a donc pris un soin tout particulier dans leur choix.<br />
Afin de caractériser dynamiquement la structure, il a opté pour<br />
des capteurs de contact de type accéléromètre. Au-delà de la fiabilité,<br />
la compacité et la précision attendues, ces capteurs doivent<br />
offrir un panel suffisamment large au niveau de leurs spécifications<br />
pour répondre à une large variété d’applications tant au<br />
niveau de leur bande de fréquences d’analyse, le niveau de vibration<br />
supporté, leur sensibilité, leur tenue au choc et leur masse.<br />
Les meilleurs capteurs<br />
pour ce type d’application<br />
Avant de s’équiper des 500 accéléromètres dont il avait besoin<br />
pour conduire ces essais, l’Onera a comparé et testé avec la plus<br />
grande attention l’offre de différents fournisseurs. Rien n’a été<br />
laissé au hasard. « Nous avons même vérifié que les capteurs continuaient<br />
bien à fonctionner après un choc violent », se souvient<br />
Pascal Lubrina. Ce sont fi alement les accéléromètres de PCB<br />
Piezotronics (fabriquant des capteurs de mesure de grandeurs<br />
physiques) qui ont été retenus. « Ces systèmes représentent pour<br />
notre application les meilleurs capteurs », assure Stéphane Giclais.<br />
Outre leur compacité et leur résistance au choc, ces accéléromètres<br />
répondaient à la demande en termes de précision<br />
(10 –4 g), de bande de fréquences (0,2 Hz à 2 kHz) et de masse<br />
(une dizaine de grammes). Cerise sur le gâteau : ils sont disponibles<br />
en ICP (conditionnement embarqué) et supportent le<br />
standard TEDS facilitant leur confi uration. « La technologie<br />
Campagne d’essais de vibrations au sol<br />
de l’A350 à Toulouse – © Airbus.<br />
Accéléromètres PCB Piezotronics<br />
pour les mesures de vibrations.<br />
ICP rend possible l’acquisition de signaux très faiblement bruités<br />
sur 80 à 100 mètres de câbles. De plus, elle nous renseigne<br />
via des leds de l’état de fonctionnement du capteur », souligne<br />
Pascal Lubrina.<br />
Le standard TEDS met en œuvre une mémoire Eprom dans le<br />
capteur dans laquelle sont notamment sauvegardées sa gamme<br />
de mesure et sa sensibilité. Le système d’acquisition accède<br />
directement à ces informations, fonctionnalité qui évite leur<br />
saisie manuelle lors de la confi uration de l’essai et limite donc<br />
les risques d’erreur.<br />
20 % de temps gagné grâce<br />
aux technologies ICP<br />
et TEDS des capteurs PCB Piezotronics<br />
Au fi al, les technologies ICP et TEDS contribuent à simplifier,<br />
à fiabiliser et à accélérer l’installation des centaines de capteurs<br />
nécessaires à la campagne d’essai. Celles-ci permettent également<br />
de réduire le temps alloué à la vérification des confi u-<br />
rations. « À demande équivalente, c’est 20 % de temps gagné<br />
lors de l’installation d’essai », estime Stéphane Giclais. Gain qui<br />
répond aux attentes des industriels aéronautiques souhaitant<br />
disposer le plus vite possible de données pour valider leurs<br />
modèles numériques et confi mer certaines hypothèses avant<br />
le premier vol d’essai. « À cahier des charges et taille d’avion<br />
comparables, la durée des essais est passée en quelques années<br />
d’environ trois semaines à une semaine tout en délivrant aux<br />
industriels davantage d’informations et d’analyses », conclut<br />
Pascal Lubrina. ●<br />
ESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • Décembre 2015 I45
vie de l’aste<br />
Compte-rendu<br />
Journée ASTE – DGA Maîtrise de l’Information<br />
« Maîtriser l’environnement climatique sur vos équipements »<br />
Le jeudi 19 novembre 2015, à Bruz, la DGA Maîtrise de l’Information a accueilli l’ASTE pour une<br />
journée thématique « Maîtriser l’environnement climatique sur vos équipements ». Environ<br />
trente-cinq personnes ont assisté à cet événement.<br />
profils de température en vieillissement thermochimique<br />
dans laquelle le choix de la loi d’accélération (Berthelot ou<br />
Arrhénius) et la maîtrise des paramètres d’accélération, en<br />
raison de leur importance primordiale. Les deux intervenants<br />
ont ensuite répondu aux nombreuses questions des<br />
participants.<br />
La journée a accueilli près de trente-cinq participants<br />
Les participants ont été accueillis par Laurent Cazenave,<br />
autour d’un café, dans le hall du bâtiment Fayol<br />
de la DGA MI. La journée a commencé dans l’amphithéâtre<br />
Javelot par les présentations des organisateurs.<br />
Jean-François Millot, le chef de division MAN, a décrit les activités<br />
de la DGA MI et Joseph Merlet, président de l’ASTE, a<br />
présenté l’association et souligné l’importance de l’échange des<br />
savoirs dans le contexte actuel.<br />
Les exposés techniques de la journée ont débuté par une<br />
conférence de Daniel Leroy de la société Alliantech intitulée<br />
« Defense & aeronautics application examples of test equipment<br />
according to mil std 810 g ». Son intervention a été suivie<br />
de questions de la part du public en particulier sur l’indirect<br />
cooling.<br />
Didier Marchal de Metrosite a abordé, dans l’exposé suivant,<br />
le sujet du suivi et de la traçabilité métrologique des enceintes<br />
climatiques relativement aux normes FDX 15-140 et CEI<br />
60068-3-11. Patrice Raipin-Parvedy de MBDA a quant à<br />
lui traité de la question de la détermination statistique de<br />
Le déjeuner a été ensuite partagé au restaurant de la DGA MI et ce<br />
moment convivial a permis de discuter et de nouer des contacts.<br />
Les conférences ont repris l’après midi avec une intervention<br />
de Bénédicte Baque de la DGA Maîtrise de l’information intitulée<br />
« Modélisation thermodynamique d’abris de stockage »<br />
où l’utilisation d’Excel s’est montrée très efficace. Puis Thierry<br />
Marot de la DGA MI a présenté les « Incertitudes et aides à la<br />
décision associées à une durée d’emploi Sécuritaire (aspects<br />
thermiques, fiabilité et vieillissement) ». Cet exposé, très intéressant<br />
et original, a été suivi de nombreuses questions de la<br />
part des auditeurs.<br />
La deuxième partie de l’après-midi a été consacrée à la visite<br />
des moyens des départements TIS et CVO. Les participants<br />
divisés en deux groupes ont assisté à la présentation du laboratoire<br />
« Inertie haute dynamique » du département TIS dans<br />
le bâtiment Foucault et du laboratoire MREO (moyens Environnement)<br />
du département CVO dans le bâtiment Amontons,<br />
où a été présenté un moyen d’essai exceptionnel en CEM.<br />
Toutes les visites ont suscité un grand intérêt chez les participants,<br />
qui ont posé de nombreuses questions à M. Cazenave,<br />
M. Huaux, M. Cardon, M. Constantin et M. Gilbert qui les<br />
ont accompagnés.<br />
La journée s’est terminée par les remerciements de Joseph<br />
Merlet aux intervenants, à Laurent Cazenave ainsi qu’à toute<br />
l’équipe de la DGA Maîtrise de l’Information qui a participé<br />
à l’organisation de cette journée et contribué à son succès. ●<br />
46 IESSAIS & SIMULATIONS • N°xxx • xxx 2015
PROGRAMME DES FORMATIONS<br />
2016<br />
THEMES<br />
LIEU<br />
DUREE<br />
JOURS<br />
PRIX HT<br />
DATES PROPOSEES<br />
Mesure et analyses des phénomènes vibratoires (Niveau 1)<br />
Mesure et analyses des phénomènes vibratoires (Niveau 2)<br />
Mécanique vibratoire : application au domaine industriel<br />
IUT du Limousin ou SOPEMEA<br />
INTESPACE (31)<br />
SOPEMEA (78)<br />
2 ou 3<br />
1 120 ou<br />
1530 €<br />
3 1 530 €<br />
5-7 avril et 6-8 sept<br />
24-26 mai et 13-15 sept<br />
7-9 juin<br />
11-13 oct<br />
Chocs mécaniques : mesures, spécifications, essais et analyses de risques SOPEMEA (78) 3 1 530 € 22-24 mars et 15-17 nov<br />
Acquisition et traitement des signaux : principes de base et caractérisation<br />
des signaux<br />
IUT du Limousin ou SOPEMEA 3 1 530 € 31 mai-2 juin<br />
Traitement du signal avancé des signaux vibratoires SOPEMEA (78) 3 1 530 € 13-15 sept<br />
Pilotage des générateurs de vibrations - principes utilisés et applications SOPEMEA (78) 4 1 840 € 22-25 nov<br />
Analyse modale expérimentale et initiation aux calculs de structure et essais<br />
INTESPACE (31)<br />
SOPEMEA (78)<br />
4 1 840 €<br />
7-10 juin<br />
25-28 oct<br />
Principes de base et mesure des phénomènes acoustiques INTESPACE (31) 4 1 840 € 22-25 nov<br />
Principes de base et mesure des phénomènes thermiques IUT du Limousin ou SOPEMEA 3 1 530 € 15-17 nov<br />
Climatique : application au domaine industriel INTESPACE (31) 4 1 840 € 6-9 déc<br />
Sensibilisation à la compatibilité électromagnétique IUT du Limousin ou SOPEMEA 3 1 530 € 7-9 juin<br />
Application à la prise en compte de la CEM dans le domaine industriel<br />
INTESPACE 3 1 530 €<br />
9-11 mars et 4-6 oct<br />
Compatibilité ÉlectroMagnétique (CEM) Exploitation des normes EMITECH (78) 2 1 120 € 9-10 février<br />
Prise en compte de l’environnement électromagnétique EMITECH (78) 3 1 530 € 5-7 avril<br />
Personnalisation du produit à son environnement : prise en compte de<br />
l'environnement dans un programme industriel (norme NFX-50144-1)<br />
2 1 120 € 20-21 sept<br />
Prise en compte de l’environnement mécanique (norme NFX-50144-3) SOPEMEA (78)<br />
3 1 530 € 18-20 oct<br />
Prise en compte de la norme NFX-50144 dans la conception des systèmes 3 1 530 € 22-24 nov<br />
Prise en compte de l’environnement climatique (norme NFX-50144-4) 3 1 530 € 28-29 sept<br />
Extensomètrie : collage de jauge, analyse des résultats et de leur qualité SOPEMEA (78) 3 1 840 € 14-16 juin et 15-17 nov<br />
Concevoir, réaliser, exploiter une campagne de mesures SOPEMEA (78) 2 1 120 € 6-7 déc<br />
Caractérisation métrologique des systèmes de mesure et essais SOPEMEA (78) 2 1 120 € 6-7 avril<br />
Conception et validation de la fiabilité - dimensionnement des essais pour<br />
la validation de la conception des produits<br />
SOPEMEA (78) 3 1 530 € Dates à définir<br />
Fiabilité, déverminage, essais (accélérés, aggravés) SOPEMEA (78) 2 1 120 € Dates à définir<br />
Construire la robustesse de vos produits par la méthode HALT & HASS EMITECH (78) 1 890 € 24 mars et 16 sept<br />
Fiabilité dans les projets : méthodologies et processus SOPEMEA (78) 2 1 120 € Dates à définir<br />
Calcul de la fiabilité : analyse Weibull SOPEMEA (78) 2 1 120 € Dates à définir<br />
Comment estimer les coûts de garantie SOPEMEA (78) 2 1 120 € Dates à définir<br />
Comment identifier et améliorer la compétence de fiabilité dans une<br />
organisation industrielle ?<br />
SOPEMEA (78) 2 1 120 € Dates à définir<br />
La simulation numérique et les essais : complémentarités - comparaisons SOPEMEA (78) 2 1 120 € 23-24 mars<br />
Analyses Physico-Chimiques et Matériaux : techniques Spectroscopiques 2 1 120 € 5-6 juillet<br />
Techniques de Caractérisation de composés Organiques<br />
IUT du Limousin ou SOPEMEA<br />
2 1 120 € 27-28 sept<br />
Contrôles non Destructifs 2 1 120 € 8-9 nov<br />
Qualité et Métrologie : Gestion d’une Salle blanche - application dans un<br />
Centre d’<strong>Essais</strong><br />
2 1 120 € 6-7 avril<br />
Suivi de la contamination : application aux salles blanches et aux essais sous<br />
vide<br />
INTESPACE (31)<br />
2 1 120 € 13-14 avril<br />
Gestion des risques liés aux essais d’environnement : application aux<br />
domaines spatial et aéronautique<br />
3 1 530 € 21-23 juin<br />
Evaluation des incertitudes, étalonnage, vérification, ajustage, OPPERET IUT du Limousin ou SOPEMEA 2 1 120 € 7-8 sept<br />
L’assurance qualité dans les laboratoires d’essais selon le référentiel EN<br />
ISO/CEI 17025<br />
EMITECH (78) 2 1 120 € 27-28 sept<br />
CONTACT : Patrycja PERRIN - Tél. 01 61 38 96 32 - info@aste.asso.fr
iNdeX<br />
Au sommaire du prochain numéro :<br />
essais et MOdÉlisatiON<br />
• Au programme de ce<br />
prochain numéro d’essais<br />
& Simulation, la place de<br />
la virtualisation dans les<br />
essais aéronautiques et le point sur les<br />
essais aggravés et Halt & Hass<br />
• Simulation dès la conception<br />
et impression 3D<br />
dOssieR<br />
• Spécial Industrie Paris 2016 :<br />
les moyens de mesure et de contrôle<br />
en production pour améliorer la qualité<br />
des produits<br />
MesURes<br />
• En matière d’étalonnage, les solutions<br />
et les méthodes pour réduire les<br />
incertitudes de mesure<br />
Répertoire des annonceurs<br />
AKIRA TECHNOLOGIES ..........................................9<br />
ANALYSE INDUSTRIELLE ....................................38<br />
ASTE .......................................................................25<br />
COMSOL ........................................4 e de couverture<br />
ENOVA LYON ..........................................................35<br />
ESI GROUP ....................................2 e de couverture<br />
DBVIB ..............................................................7 et 39<br />
GABARIT LASER ...................................................17<br />
INDUSTRIE PARIS .................................................15<br />
INSTRON (publi-communiqué) .............................13<br />
JEC WORLD ...........................................................19<br />
M+P INTERNATIONAL ..........................................11<br />
MSC SOFTWARE... .......................3 e de couverture<br />
SIEMENS ..................................................................5<br />
THEMACS (publi-communiqué) ............................21<br />
LE CHIFFRE<br />
À RETENIR :<br />
5 %<br />
Il s’agit de la part que représentaient les matériaux<br />
composites dans l’aéronautique en 1970, et plus<br />
précisément dans l’Airbus A300. Un chiffre à remettre<br />
en perspective lorsque l’avionneur avait dévoilé en<br />
2013 que son petit dernier, l’A350, avait franchi la<br />
barre symbolique des 50 % de matériaux composites.<br />
Retrouvez nos anciens numéros sur :<br />
EN SAVOIR PLUS > www.essais-simulations.com<br />
48 IESSAIS & SIMULATIONS • N° 123 • décembre 2015
Accélérez la création de<br />
vos modèles éléments finis<br />
pour les structures fines<br />
Géométrie volumique Extraction de fibres neutres Réparation et assemblage des<br />
fibres neutres puis maillage<br />
Temps nécessaire à la réalisation du processus complet<br />
Sans MSC Apex 50 heures | Avec MSC Apex 3,5 heures<br />
Pour en savoir plus:<br />
www.mscapex.fr
DISPONIBLE DÈS<br />
MAINTENANT<br />
modélisez avec comsol multiphysics ®<br />
construisez votre application<br />
partagez-la avec comsol server<br />
Du Modèle à l’Application, vers le Serveur<br />
PARTAGEZ VOTRE EXPERTISE EN SIMULATION<br />
COMSOL Multiphysics® et son Application Builder fournissent des outils pour<br />
concevoir facilement des interfaces personnalisées pour vos applications en<br />
multiphysique. Utilisez ensuite COMSOL Server pour partager vos applications<br />
avec vos collègues et vos clients dans le monde entier.<br />
Pour en savoir plus sur vos applications en simulation, rendez-vous sur comsol.fr.<br />
© Copyright 2015–2016 COMSOL. COMSOL, COMSOL Multiphysics, Capture the Concept, COMSOL Desktop, COMSOL Server, LiveLink, and Simulation for Everyone are either<br />
registered trademarks or trademarks of COMSOL AB. All other trademarks are the property of their respective owners, and COMSOL AB and its subsidiaries and products are not affiliated<br />
with, endorsed by, sponsored by, or supported by those trademark owners. For a list of such trademark owners, see www.comsol.com/trademarks.
Change language