Avec plus de 25 ans d’expérience dans les essais de matériaux, la métallurgie et l’ingénierie des systèmes, le Dr Erik Schwarzkopf, scientifique chez MTS, apporte une expertise unique aux clients. Steve Lemmer, ingénieur-concepteur principal chez MTS, développe des solutions d’essais innovantes depuis plus de 23 ans et a joué un rôle déterminant dans la conception des 15 systèmes d’essais biaxiaux planaires que MTS a installés dans le monde. Dans ces questions-réponses, ils évoquent les origines, les défis et les avantages des essais biaxiaux planaires.
Q : Qu’est-ce qu’un essai biaxial planaire ? En quoi diffère-t-il des essais uniaxiaux conventionnels ?
E. Schwarzkopf : le principe des essais biaxiaux planaires repose sur le fait que, dans le monde réel, la plupart des structures et des composants sont soumis à des charges dans plusieurs directions. Pour simuler des conditions réelles, les ingénieurs d’essais doivent pouvoir tirer l’éprouvette dans plusieurs directions tout en gardant un grand contrôle sur le processus. Dans ce cas, le « contrôle » signifie maintenir le centre de l’éprouvette précisément au centre et écarter le risque de contrainte de flexion supplémentaire. Notre système biaxial planaire utilise quatre vérins dans un plan pour y parvenir. Les éprouvettes utilisées pour les essais biaxiaux planaires sont uniques en ce sens qu’elles ont souvent une forme cruciforme avec quatre points de fixation et les bras sont généralement de même longueur. Cette caractéristique est importante, car tout ce qui se trouve autour du centre de l’éprouvette doit s’étirer uniformément. Sinon, l’essai ne donnera pas de bons résultats.
Q : Comment sont nés les essais biaxiaux planaires ? Quelles sont leurs origines ?
E. Schwarzkopf : le besoin d’essais biaxiaux planaires est apparu dans les années 1960 avec l’avènement des moteurs à réaction. Les constructeurs du secteur aérospatial s’intéressaient beaucoup aux états de contrainte sur les structures des aéronefs. L’analyse de la structure granulaire de la tôle utilisée dans la construction automobile faisait également partie des premières applications. Avant les essais biaxiaux planaires, les ingénieurs devaient effectuer plusieurs essais uniaxiaux distincts et prédire le comportement multiaxial en situation réelle par extrapolation.
Q : Quel rôle a joué MTS dans le perfectionnement de la technologie des essais biaxiaux planaires ?
E. Schwarzkopf : MTS a commencé à s’y intéresser dans les années 1980. Nous avons été des pionniers dans le développement des premiers systèmes d’essais biaxiaux capables de tordre et de tirer en même temps, en utilisant une seule unité de chargement. Puis, nous avons ajouté des charges latérales, qui nécessitaient quatre vérins. La capacité de nos solutions à contrôler plusieurs axes simultanément était essentielle pour que ce type d’essai soit aussi réalisable que précis. MTS connaissait très bien le contrôle de la relation de phase entre plusieurs vérins grâce à son expérience dans l’industrie automobile. Nous avons ensuite ajouté un bâti de charge pour assurer une relation géométrique spécifique. Puis, dans les années 1990, nous avons développé le logiciel, les contrôleurs numériques et les schémas de contrôle qui ont permis au client d’obtenir plus facilement un contrôle approprié du centroïde. C’était déjà possible avant, mais c’était très difficile et peu efficace pour de nombreux laboratoires.
Q : Quels sont les besoins critiques auxquels les essais biaxiaux planaires répondent ?
E. Schwarzkopf : les ingénieurs s’appuient sur les données des essais biaxiaux planaires pour prendre d’importantes décisions de conception concernant la résistance et l’épaisseur des matériaux. De nombreuses industries utilisent ce type d’essai, principalement pour tester les métaux. Il s’agit surtout d’essais dynamiques, c’est-à-dire la mécanique de la rupture et la propagation des fissures de fatigue. Nos clients ont besoin de savoir à quelle vitesse une fissure se développera et à quel moment elle atteindra une taille critique dans diverses conditions de charge. D’autres simulations biaxiales planaires sont utilisées pour tester des composants réels en situation réelle. Il peut s’agir d’essais véritablement biaxiaux, mais également axiaux et en torsion, et ces forces peuvent être synchronisées ou opposées. Certains clients peuvent vouloir effectuer des essais de tolérance aux dommages pour mesurer la propagation des fissures à partir d’un grand trou dans le matériau, puis réparer les dommages et voir comment la réparation tient, ou tester combien de fois le même trou peut être réparé. C’est là toute la beauté des essais biaxiaux planaires : ils peuvent être adaptés pour contrôler les forces de la manière qui vous permettra d’obtenir les données dont vous avez besoin.
Q : Comment les clients utilisent-ils les données des essais biaxiaux planaires ?
E. Schwarzkopf : les données aident nos clients à développer de nouvelles techniques de fabrication, à comprendre le comportement de nouveaux matériaux comme les matériaux composites et à élaborer de meilleurs modèles. Les applications pratiques sont nombreuses et ont lieu généralement dans de grands centres de recherche et de développement. Les constructeurs du secteur aérospatial examinent les structures et les composants des aéronefs. Les fabricants de turbines à gaz testent les composants utilisés dans les moteurs à réaction des aéronefs et les unités de production d’électricité. Les grands laboratoires nationaux sont généralement très intéressés par les essais biaxiaux planaires. Ils offrent un degré de réalisme beaucoup plus proche de l’environnement d’utilisation réel que les essais uniaxiaux. Mais là où la défaillance d’une structure ou d’un composant peut avoir des conséquences désastreuses, ce qui est certainement le cas dans le secteur aérospatial et la production d’électricité, les essais biaxiaux planaires sont très prisés.
Q : Quels sont certains des principaux défis techniques des essais biaxiaux planaires ?
S. Lemmer : parmi les aspects les plus difficiles des essais biaxiaux planaires, on peut citer le fait d’obtenir un contrôle précis du centroïde, d’assurer un alignement correct du système et de parvenir à la reproductibilité des essais.
Q : Qu’est-ce que le contrôle du centroïde ?
S. Lemmer : le contrôle du centroïde fait référence à la capacité de maintenir le centre de l’éprouvette précisément là où le chercheur le souhaite ; il s’agit généralement du centre de l’espace d’essai, mais ce n’est pas toujours le cas. Les systèmes biaxiaux planaires de MTS peuvent contrôler l’emplacement du centroïde au micron près. Dans la plupart des applications, le client souhaite déplacer les bords vers l’extérieur ou l’intérieur, en les serrant et en les tirant, dans un essai cyclique. Mais le centre doit rester immobile. Ces essais durent des jours. Nos systèmes biaxiaux planaires sont optimisés pour les essais de fatigue oligocyclique, qui sont généralement de l’ordre de 10 000 cycles. Ces essais ont généralement une fréquence de 1 Hz.
Q : Pourquoi est-ce important d’assurer l’alignement du système ?
S. Lemmer : si l’essai consiste à pousser et à tirer l’éprouvette dans deux directions, ces forces doivent être appliquées dans le même plan. Sinon, une force de flexion ou une contrainte de cisaillement non intentionnelle apparaîtra, laquelle ne peut être contrôlée correctement et n’est pas prise en compte dans l’analyse. Les données sont alors compromises, car une contrainte non intentionnelle peut entraîner une défaillance précoce de l’éprouvette. Si vous comptez les cycles jusqu’à la défaillance, ce nombre ne sera pas exact. Une contrainte non intentionnelle expose également l’éprouvette à un risque de flambage. Dans de nombreuses industries, l’aérospatiale en particulier, le remplacement de l’éprouvette peut s’avérer très coûteux. MTS garantit un alignement correct grâce à un dispositif d’alignement qui permet de régler l’alignement entre les mors pour s’assurer que tout est coplanaire, concentrique et ajusté sur le plan angulaire. MTS fabrique avec précision les vérins et leurs emplacements de montage afin de minimiser les déformations de flexion, mais même de petites erreurs d’alignement peuvent affecter l’essai ; il convient alors d’effectuer de petits ajustements, qui peuvent être réalisés facilement avec le dispositif d’alignement.
Q : Le dispositif d’alignement garantit-il la reproductibilité de l’essai ?
S. Lemmer : une fois le bâti parfaitement aligné, vous devez positionner l’éprouvette réelle, puis vous assurer que l’alignement est toujours correct. Nous utilisons des mors à mâchoires hydrauliques standard qui se fixent sur l’éprouvette de la même manière à chaque fois. Ils appliquent la même force sur chaque patte de l’éprouvette. En d’autres termes, ils sont très reproductibles. Et ils sont conçus pour s’adapter à de nombreuses tailles d’éprouvettes différentes. Il est également possible d’utiliser une fixation mécanique boulonnée, qui n’est pas aussi flexible et qui n’offre pas le même type de reproductibilité d’alignement induite par les mors. Avec MTS, vous pouvez être sûr que l’éprouvette est alignée en quelques minutes. D’autres systèmes peuvent vous prendre une demi-journée.
Q : Comment ces défis ont-ils façonné l’offre de produits biaxiaux planaires de MTS ?
S. Lemmer : pour garantir l’intégrité des données d’essai, nos systèmes sont conçus pour permettre un contrôle et un alignement optimaux. Ils offrent une rigidité latérale exceptionnelle. Les vérins comprennent des paliers hydrostatiques et sont imbriqués les uns dans les autres pour minimiser la distance entre le vérin et l’espace d’essai. Un dispositif de protection contre les excès de moment permet de soutenir chaque vérin en cas d’événement hors du plan. Ces dispositifs retiennent les fixations dans la ligne de chargement et ramènent les forces au sol au lieu d’endommager les capteurs de force ou les vérins. En effet, malgré toutes les précautions prises, les pattes des éprouvettes peuvent se casser de manière inattendue. La conception de notre système empêche que le bâti ne soit endommagé. C’est une conception très robuste avec très peu de friction dans les vérins, ce qui est également important pour la fidélité de la forme d’onde et le logiciel de contrôle.
Q : Quelles sont les offres de MTS en matière d’essais biaxiaux planaires ?
S. Lemmer : nous avons des capacités de force allant de 25 à 500 kN. Nous avons également un système qui peut fournir 250 kN dans une direction et 500 kN dans une autre. Beaucoup de ces systèmes ont également des capacités de torsion. Chaque solution comprend les accessoires, le logiciel, la technologie de commande numérique et l’interface utilisateur qui sont nécessaires pour répondre aux exigences spécifiques des applications d’essais de chaque client. C’est une solution complète, qui permet au client de bénéficier d’une expérience « tout-en-un » et d’avoir la certitude que tous les composants sont conçus pour fonctionner parfaitement ensemble. Nous avons installé 15 de ces systèmes dans le monde depuis 1990 et nous connaissons très bien les équipements d’essai et les essais.
Q : Pouvez-vous citer des exemples d’améliorations que MTS peut apporter aux systèmes biaxiaux planaires ?
S. Lemmer : la conception des systèmes biaxiaux planaires de MTS peut être facilement modifiée pour répondre aux exigences exactes des clients en matière d’essais. De nombreux clients souhaitent que les charges soient égales dans les deux directions. Mais ce n’est pas toujours le cas. Par exemple, un client de systèmes biaxiaux planaires était plus intéressé par le contrôle du rapport des charges et par la modification de ce rapport pour voir comment il affectait la propagation et l’orientation des fissures. On parle également de sortie du cercle de Mohr. Les contraintes principales créent une contrainte de cisaillement en angle. Les états de contrainte et les vitesses de propagation des fissures peuvent être complètement différents dans ces cas, ce qui a bien sûr des conséquences sur la conception. Comme nous l’avons mentionné, nous pouvons également ajouter une rotation à une configuration de système d’essais biaxiaux planaires, ce qui permet aux chercheurs d’étudier une partie bien plus importante du tenseur des contraintes. Au fil des ans, nous avons intégré divers systèmes de simulation environnementale dans des solutions biaxiales planaires pour appliquer des températures extrêmes, du vide et de l’humidité aux éprouvettes testées. Plus récemment, nous avons conçu un système compact de faible masse de 25 kN qui permet aux chercheurs de l’intégrer et de l’articuler dans une ligne de faisceau de particules immobile.
Contactez MTS dès aujourd’hui pour en savoir plus sur les solutions d’essais biaxiaux planaires.
Q : Qu’est-ce qu’un essai biaxial planaire ? En quoi diffère-t-il des essais uniaxiaux conventionnels ?
E. Schwarzkopf : le principe des essais biaxiaux planaires repose sur le fait que, dans le monde réel, la plupart des structures et des composants sont soumis à des charges dans plusieurs directions. Pour simuler des conditions réelles, les ingénieurs d’essais doivent pouvoir tirer l’éprouvette dans plusieurs directions tout en gardant un grand contrôle sur le processus. Dans ce cas, le « contrôle » signifie maintenir le centre de l’éprouvette précisément au centre et écarter le risque de contrainte de flexion supplémentaire. Notre système biaxial planaire utilise quatre vérins dans un plan pour y parvenir. Les éprouvettes utilisées pour les essais biaxiaux planaires sont uniques en ce sens qu’elles ont souvent une forme cruciforme avec quatre points de fixation et les bras sont généralement de même longueur. Cette caractéristique est importante, car tout ce qui se trouve autour du centre de l’éprouvette doit s’étirer uniformément. Sinon, l’essai ne donnera pas de bons résultats.
Q : Comment sont nés les essais biaxiaux planaires ? Quelles sont leurs origines ?
E. Schwarzkopf : le besoin d’essais biaxiaux planaires est apparu dans les années 1960 avec l’avènement des moteurs à réaction. Les constructeurs du secteur aérospatial s’intéressaient beaucoup aux états de contrainte sur les structures des aéronefs. L’analyse de la structure granulaire de la tôle utilisée dans la construction automobile faisait également partie des premières applications. Avant les essais biaxiaux planaires, les ingénieurs devaient effectuer plusieurs essais uniaxiaux distincts et prédire le comportement multiaxial en situation réelle par extrapolation.
Q : Quel rôle a joué MTS dans le perfectionnement de la technologie des essais biaxiaux planaires ?
E. Schwarzkopf : MTS a commencé à s’y intéresser dans les années 1980. Nous avons été des pionniers dans le développement des premiers systèmes d’essais biaxiaux capables de tordre et de tirer en même temps, en utilisant une seule unité de chargement. Puis, nous avons ajouté des charges latérales, qui nécessitaient quatre vérins. La capacité de nos solutions à contrôler plusieurs axes simultanément était essentielle pour que ce type d’essai soit aussi réalisable que précis. MTS connaissait très bien le contrôle de la relation de phase entre plusieurs vérins grâce à son expérience dans l’industrie automobile. Nous avons ensuite ajouté un bâti de charge pour assurer une relation géométrique spécifique. Puis, dans les années 1990, nous avons développé le logiciel, les contrôleurs numériques et les schémas de contrôle qui ont permis au client d’obtenir plus facilement un contrôle approprié du centroïde. C’était déjà possible avant, mais c’était très difficile et peu efficace pour de nombreux laboratoires.
Q : Quels sont les besoins critiques auxquels les essais biaxiaux planaires répondent ?
E. Schwarzkopf : les ingénieurs s’appuient sur les données des essais biaxiaux planaires pour prendre d’importantes décisions de conception concernant la résistance et l’épaisseur des matériaux. De nombreuses industries utilisent ce type d’essai, principalement pour tester les métaux. Il s’agit surtout d’essais dynamiques, c’est-à-dire la mécanique de la rupture et la propagation des fissures de fatigue. Nos clients ont besoin de savoir à quelle vitesse une fissure se développera et à quel moment elle atteindra une taille critique dans diverses conditions de charge. D’autres simulations biaxiales planaires sont utilisées pour tester des composants réels en situation réelle. Il peut s’agir d’essais véritablement biaxiaux, mais également axiaux et en torsion, et ces forces peuvent être synchronisées ou opposées. Certains clients peuvent vouloir effectuer des essais de tolérance aux dommages pour mesurer la propagation des fissures à partir d’un grand trou dans le matériau, puis réparer les dommages et voir comment la réparation tient, ou tester combien de fois le même trou peut être réparé. C’est là toute la beauté des essais biaxiaux planaires : ils peuvent être adaptés pour contrôler les forces de la manière qui vous permettra d’obtenir les données dont vous avez besoin.
Q : Comment les clients utilisent-ils les données des essais biaxiaux planaires ?
E. Schwarzkopf : les données aident nos clients à développer de nouvelles techniques de fabrication, à comprendre le comportement de nouveaux matériaux comme les matériaux composites et à élaborer de meilleurs modèles. Les applications pratiques sont nombreuses et ont lieu généralement dans de grands centres de recherche et de développement. Les constructeurs du secteur aérospatial examinent les structures et les composants des aéronefs. Les fabricants de turbines à gaz testent les composants utilisés dans les moteurs à réaction des aéronefs et les unités de production d’électricité. Les grands laboratoires nationaux sont généralement très intéressés par les essais biaxiaux planaires. Ils offrent un degré de réalisme beaucoup plus proche de l’environnement d’utilisation réel que les essais uniaxiaux. Mais là où la défaillance d’une structure ou d’un composant peut avoir des conséquences désastreuses, ce qui est certainement le cas dans le secteur aérospatial et la production d’électricité, les essais biaxiaux planaires sont très prisés.
Q : Quels sont certains des principaux défis techniques des essais biaxiaux planaires ?
S. Lemmer : parmi les aspects les plus difficiles des essais biaxiaux planaires, on peut citer le fait d’obtenir un contrôle précis du centroïde, d’assurer un alignement correct du système et de parvenir à la reproductibilité des essais.
Q : Qu’est-ce que le contrôle du centroïde ?
S. Lemmer : le contrôle du centroïde fait référence à la capacité de maintenir le centre de l’éprouvette précisément là où le chercheur le souhaite ; il s’agit généralement du centre de l’espace d’essai, mais ce n’est pas toujours le cas. Les systèmes biaxiaux planaires de MTS peuvent contrôler l’emplacement du centroïde au micron près. Dans la plupart des applications, le client souhaite déplacer les bords vers l’extérieur ou l’intérieur, en les serrant et en les tirant, dans un essai cyclique. Mais le centre doit rester immobile. Ces essais durent des jours. Nos systèmes biaxiaux planaires sont optimisés pour les essais de fatigue oligocyclique, qui sont généralement de l’ordre de 10 000 cycles. Ces essais ont généralement une fréquence de 1 Hz.
Q : Pourquoi est-ce important d’assurer l’alignement du système ?
S. Lemmer : si l’essai consiste à pousser et à tirer l’éprouvette dans deux directions, ces forces doivent être appliquées dans le même plan. Sinon, une force de flexion ou une contrainte de cisaillement non intentionnelle apparaîtra, laquelle ne peut être contrôlée correctement et n’est pas prise en compte dans l’analyse. Les données sont alors compromises, car une contrainte non intentionnelle peut entraîner une défaillance précoce de l’éprouvette. Si vous comptez les cycles jusqu’à la défaillance, ce nombre ne sera pas exact. Une contrainte non intentionnelle expose également l’éprouvette à un risque de flambage. Dans de nombreuses industries, l’aérospatiale en particulier, le remplacement de l’éprouvette peut s’avérer très coûteux. MTS garantit un alignement correct grâce à un dispositif d’alignement qui permet de régler l’alignement entre les mors pour s’assurer que tout est coplanaire, concentrique et ajusté sur le plan angulaire. MTS fabrique avec précision les vérins et leurs emplacements de montage afin de minimiser les déformations de flexion, mais même de petites erreurs d’alignement peuvent affecter l’essai ; il convient alors d’effectuer de petits ajustements, qui peuvent être réalisés facilement avec le dispositif d’alignement.
Q : Le dispositif d’alignement garantit-il la reproductibilité de l’essai ?
S. Lemmer : une fois le bâti parfaitement aligné, vous devez positionner l’éprouvette réelle, puis vous assurer que l’alignement est toujours correct. Nous utilisons des mors à mâchoires hydrauliques standard qui se fixent sur l’éprouvette de la même manière à chaque fois. Ils appliquent la même force sur chaque patte de l’éprouvette. En d’autres termes, ils sont très reproductibles. Et ils sont conçus pour s’adapter à de nombreuses tailles d’éprouvettes différentes. Il est également possible d’utiliser une fixation mécanique boulonnée, qui n’est pas aussi flexible et qui n’offre pas le même type de reproductibilité d’alignement induite par les mors. Avec MTS, vous pouvez être sûr que l’éprouvette est alignée en quelques minutes. D’autres systèmes peuvent vous prendre une demi-journée.
Q : Comment ces défis ont-ils façonné l’offre de produits biaxiaux planaires de MTS ?
S. Lemmer : pour garantir l’intégrité des données d’essai, nos systèmes sont conçus pour permettre un contrôle et un alignement optimaux. Ils offrent une rigidité latérale exceptionnelle. Les vérins comprennent des paliers hydrostatiques et sont imbriqués les uns dans les autres pour minimiser la distance entre le vérin et l’espace d’essai. Un dispositif de protection contre les excès de moment permet de soutenir chaque vérin en cas d’événement hors du plan. Ces dispositifs retiennent les fixations dans la ligne de chargement et ramènent les forces au sol au lieu d’endommager les capteurs de force ou les vérins. En effet, malgré toutes les précautions prises, les pattes des éprouvettes peuvent se casser de manière inattendue. La conception de notre système empêche que le bâti ne soit endommagé. C’est une conception très robuste avec très peu de friction dans les vérins, ce qui est également important pour la fidélité de la forme d’onde et le logiciel de contrôle.
Q : Quelles sont les offres de MTS en matière d’essais biaxiaux planaires ?
S. Lemmer : nous avons des capacités de force allant de 25 à 500 kN. Nous avons également un système qui peut fournir 250 kN dans une direction et 500 kN dans une autre. Beaucoup de ces systèmes ont également des capacités de torsion. Chaque solution comprend les accessoires, le logiciel, la technologie de commande numérique et l’interface utilisateur qui sont nécessaires pour répondre aux exigences spécifiques des applications d’essais de chaque client. C’est une solution complète, qui permet au client de bénéficier d’une expérience « tout-en-un » et d’avoir la certitude que tous les composants sont conçus pour fonctionner parfaitement ensemble. Nous avons installé 15 de ces systèmes dans le monde depuis 1990 et nous connaissons très bien les équipements d’essai et les essais.
Q : Pouvez-vous citer des exemples d’améliorations que MTS peut apporter aux systèmes biaxiaux planaires ?
S. Lemmer : la conception des systèmes biaxiaux planaires de MTS peut être facilement modifiée pour répondre aux exigences exactes des clients en matière d’essais. De nombreux clients souhaitent que les charges soient égales dans les deux directions. Mais ce n’est pas toujours le cas. Par exemple, un client de systèmes biaxiaux planaires était plus intéressé par le contrôle du rapport des charges et par la modification de ce rapport pour voir comment il affectait la propagation et l’orientation des fissures. On parle également de sortie du cercle de Mohr. Les contraintes principales créent une contrainte de cisaillement en angle. Les états de contrainte et les vitesses de propagation des fissures peuvent être complètement différents dans ces cas, ce qui a bien sûr des conséquences sur la conception. Comme nous l’avons mentionné, nous pouvons également ajouter une rotation à une configuration de système d’essais biaxiaux planaires, ce qui permet aux chercheurs d’étudier une partie bien plus importante du tenseur des contraintes. Au fil des ans, nous avons intégré divers systèmes de simulation environnementale dans des solutions biaxiales planaires pour appliquer des températures extrêmes, du vide et de l’humidité aux éprouvettes testées. Plus récemment, nous avons conçu un système compact de faible masse de 25 kN qui permet aux chercheurs de l’intégrer et de l’articuler dans une ligne de faisceau de particules immobile.
Contactez MTS dès aujourd’hui pour en savoir plus sur les solutions d’essais biaxiaux planaires.