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Appareil pour le contrôle du comportement au choc de feuilles, tissus et de structures planes analogues,
Pour la mise au point, le perfectionnement et l'utilisation judicieuse des feuilles et structures analo- gues de faible épaisseur destinées principalement, mais non exclusivement, à la confection d'emballages, il est très important de disposer d'appareils appropriés permettant de ju- ger du comportement mécanique de ces feuilles. Il en est de même en ce qui concerne les tissus de tous types.
Les feuilles et produits plans similaires de structure chimique et physique différente sont normalement sou- mis en cours d'utilisation à des contraintes mécaniques de traction qui s'exercent suivant plusieurs axes et dont les plus dangereuses sont les contraintes par choc, c'est-à-dire en corrélation avec des vitesses de déformation élevées.
Les appareils utilisés pour l'essai dans des conditions voisines de celles de la pratique de la résistance au choc des structures planes doivent par conséquent assurer
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l'application d'une contrainte de courte durée suivant plusieurs axes, ainsi que la mesure simultanée des grandeurs qui caractérisent le matériau soumis à des contraintes de cette nature. Ces appareils doivent permettre de caractériser suffisamment-le comportement du matériau éprouvé dans les conditions les plus sévères de la pratique, afin de rendre possible le choix du matériau le plus convenable pour l'appli- cation envisagée.
Il lieu de rechercher des grandeurs cation envisagée. lieu de rechercher des grandeurs de mesure physiquement définies , susceptibles d'être compa- rées avec les résultats obtenus par d'autres méthodes d'essais.
La reproduction des contraintes de ce genre a conduit à la mise au point de l'appareil d'essais à chute de bille, qui est encore à l'heure actuelle généralement utilis6 dans le domaine des feuilles. Cet appareil avait été précédé du "Ball Drop Impact Tester" et du "Dart Drop Impact
Tester" analogue, utilisés pour la première fois aux U.S.A.
Ces deux appareils d'essais sont décrits dans "Plastics
Technology" de Mars 1956, pages 151 à 157 et page 178, tandis qu'une forme d'exécution perfectionnée du "Ball Drop Impact Tester" figure dans la revue "Modern Packing", Novembre 1951, pages 129 à 131 et 197 à 198. Tous ces appareils d'essais sont basés sur le principe d'une mesure de l'énergie de rupture et donnent par conséquent comme résultat d'épreuve une valeur intégrale.
Etant donné toutefois que, pour une contrainte de type fixé à l'avance, le matériau examiné est caractérisé par la variation de la déformation en fonction de la force et non par l'énergie totale de rupture, infiniment ambiguë vis-à-vis de ces deux paramètres, les résultats obtenus avec les appareils connus n@ permettent de différenciez entre eux que sous certaines conditions même des matériaux possé- dant une résistance et un allongement différents.
Il est, en principe, impossible d'obtenir avec les appareils d'essais connus les renseignements recherchés au sujet de la ténacité du matériau examiné et, par suite, de sa résistance aux
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contraintes par choc,
L'appareil d'essais à chute de bille et les appareils similaires mesurent en outre l'énergie de rupture totale et non l'énergie d'endommagement, c'est. à-dire le travail devant être dépensé jusqu'à l'apparition de la première fissure. Les valeurs de ces deux énergies peu- vent dans certains cas différer considérablement, parfois de plus de 100%.
Ainsi que 1' ont prouvé des expériences effectuées par la Demanderesse elle-même, il y a lieu toute- fois d'attacher une importance particulière sur le plan pra- tique non seulement à la déformation de rupture, mais aussi à l'énergie d'endommagement et non à l'énergie de rupture totale.
Ces conditions so@ satisfaites par un autre appareil connu, qui est exempt des inconvénients affec- tant les appareils précités de ce genre et qui permet l'enre- gistrement d'un diagramme complet force-déformation sur des éprouvettes en forme de membranes, au moyen d'organes électro niques pour la mesure de la force d'impact et de la déforma- tion subie par l'éprouvette. Dans cet appareil, l'éprouvette normalement serrée à la façon d'une membrane, est fixée à un mouton et tombe avec ce dernier, d'une hauteur définie et avec sa vitesse maximum sur un mandrin de mesure disposé à demeure à l'extrémité inférieure de la trajectoire de chute.
La feuille est ainsi étirée sur la calotte en forme d'ellipsoï- de ou de. sphère de la boite dynamométrique et déformée jusqu'à sa rupture. Pour permettre la mesure électronique de la force d'impact, on inverse donc dans cet appareil d'essai la cinéma- tique de l'essai par chute de bille, dans lequel la membrane au repos est transpercée par une bille ou autre projectile en chute libre, dont on mesure le ralentissement, à partir duquel
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il est possible de déterminer la valeur totale de l'énergie dépensée pour transpercer l'éprouvette (énergie totale de rupture).
Le diagramme de rupture enregistré, dont l'importance pour l'appréciation du comportement au choc est reconnue de façon générale, permet de suivre quantitative- ment toute l'opération de rupture de la même manière que pour un essai de traction normal suivant un seul axe. C'est ainsi, par exemple, que l'on peut @ déduire de ce diagramme les défor- mations et les forces à la limite élastique et à la rupture , ainsi que les valeurs correspondantes du travail (surfaces du diagramme). Les chiffres fournis par les essais permettent en outre de calculer la charge de rupture aux vitesses de rupture élevées.
L'appareil d'essais à enregistrement électro- , nique de diagrammes dont il vient d'être question fournit à chaque mesure une multiplicité d'informations, qui caracté- risent le comportent au choc du matériau à structure plane consi- . déré. Le nombre de mesures individuelles est donc notablement inférieur à celui que nécessitent les procédés ne mesurant que des grandeurs intégrales, telles que le travail total de rupture et l'impulsion globale.
L'appareil d'essais connu qui vient d'être décrit présente toutefois l'inconvénient de ne permettre des expériences à des températures s'écartant de la température ambiante que dans une mesure limitée et moyennant des disposi- tions très compliquées. En raison de la mobilité de l'éprou- vette et de son jeu de déplacement, il faudrait, pour tempérer ou climatiser l'éprouvette en cours d'essai avant et pendant l'opération de rupture, soumettre l'ensemble de l'appareil aux conditions de l'essai, c'est-à-dire l'installer dans une enceinte suffisamment grande et convenablement conditionnée,
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ou prévoir un dispositif de conditionnement approprié, muni des organes de réglage et sas nécessaires, relié au support de l'éprouvette et se déplaçant avec celui-ci.
Les calottes de mesure en forme de solides de révolution utilisées jusqu'à présent ne permettent pas d'engendrer dans des éprouvettes en forme de membranes, des états de tension interne dirigées suivant plusieurs axes et dont les tensions principales possèdent des valeurs diffé- rentes. Or, cette possibilité expérimentale présente un inté- rt pratique considérable en plus de son intérêt purement .scientifique, étant donné que, s'agissant par exemple de récipients tels que des sachets ou des sacs tombant sur le sol, il se produit pendant un court laps de temps des efforts de tension orientés suivant plusieurs axes et dont la valeur n'est pas la même dans les principales directions du récipient.
On sait d'ailleurs que le comportement au choc de récipients exécutés à partir de feuilles de matière/plastique dont les molécules de chaîne sont orientées préférentiellement dans l'unp des directions principales de la feuille (direction longitudinale ou transversale) dépend de façon très sensible de la position qu'occupe la texture de la feuille par rapport aux directions principales du récipient ou aux directions des tensions principales. Suivant l'orientation et la direc- tion de la charge de traction maximum, on peut sur une seule et même feuille obtenir des coefficients de chutes moyens qui diffèrent de plusieurs ordres de grandeur.
La présente invention est relative à un appareil pour le contrôle du comportement au choc de feuilles, tissus, papiers et structures planes analogues, appareil dans lequel sont éliminés les inconvénients et défauts sus-mention- nés qui affectent les appareils d'essais destinés jusqu'à présent à cet usage.
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L'appareil selon l'invention, qui convient en particulier à l'enregistrement de diagrammes force-déforma- tion sur des feuil,les, tissus, papiers et structures planes analogues subissant des contraintes de traction par choc ,suivant plusieurs axes, se compose d'un porte-éprouvette 'susceptible de se déplacer normalement au plan de l'éprouvette et avec une vitesse relative élevée par rapport à ce plan sur des moyens de guidage appropriés, tels que des rails, tubes ou barres de guidage, d'un organe de mesure en forme de man- drin qui contient un convertisseur mécano-électrique à carac- mécanique téristique linéaire et à fréquence/propre suffisamment élevée, ainsi que d'un élément de mesure électronique correspondant.
L'appareil selon l'invention est caractérisé en ce que le porte-éprouvette, dans lequel l'éprouvette est maintenue serrée à plat avec une faible tension initiale, est disposé à demeure à l'intérieur d'une chambre de climatisation et/ou de conditionnement, qui est isolée de façon étanche par rapport au milieu ambiant par un obturateur approprié, dont un système automatique assure l'ouverture immédiatement avant l'entrée de l'organe de mesure.
Le convertisseur électro-mécanique est contenu dans un organe de mesure en forme de mandrin, qui est constitué d'un mandrin cylindrique sur lequel est posé le convertisseur électro-mécanique coiffé d'une calotte de mesure, et l'ensemble du mandrin de mesure est fixé au centre d'un chariot mobile qui se déplace sur les organes de guidage en direction du porte-éprouvette enfermé dans la chambre de climatisation ou de conditionnement.
L'appareil selon l'invention comporte, en outre, avantageusement un dispositif pour le guidage d'un câble qui relie le convertisseur électro-mécanique à l'élément de mesure électronique, et dont l'une des extrémités se déplace
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a grande vitesse avec le chariot, tandis que son extrémité opposée reste immobile. Afin d'éliminer les ébranlements dûs aux grandes courses du câble et aux accélérations ou ralentis- semens importants de celui-ci, ébranlements qui entraînent des perturbations électriques, le guidage du câble est consti- tué de préférence d'une fente parallèle à la direction du déplacement et délimitée par des organes de guidage connus en soi, par exemple par deux rails parallèles entre eux, la longueur de lddite fente étant au moins égale au jeu de déplacement du chariot.
Afin de réduire dans toute la mesure possible la longueur du câble, le point de fixation de ce dernier se trouve au milieu de la course du chariot et aussi près que possible du guidage de ce 4ernier.
La force peut être mesurée à l'aide de tous les convertisseurs mécano-électriques à caractéristique linéaire et à fréquence mécanique propre suffisamment élevée, par exemple à l'aide de bottes dynanométriques inductives, capacitives, piézo-électriques, ou fonctionnant suivant le principe des extensomètres. La fréquence propre minimum que doit posséder le convertisseur mécano-électrique pour une reproduction fidèle de la variation de la force en fonction du terans dépend à la fois de la durée et de l'allure dans le temps de la force d'immpact, ainsi que de l'amortissement mécanique.
Pour les amortissements relatifs (rapport entre l'amortissement réel et l'amortissement critique) susceptibles d'être couramment obtenus avec des bottes dynamométriques à fréquence propre élevée, c'est-à-dire pour des amortisse- ments relatifs compris entre 0,05 et 0,1 environ,.la fréquence mécanique propre f dans le cas-limite particulièrement critique de rupture par fragilité (variation de forme trian- gulaire de la force dans le temps) peut être calculée avec
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une durée de rupture T, par la formule: f > 4 T (selon Grimminger et ses collaborateurs, dans "Material'-
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prutungo 6 1.964 N 3, pages 86 à 94).
La variation de la force et la déformation de l'éprouvette en fonction du temps peuvent être enregistrées séparément au moyen des convertisseurs électro-mécaniques.
Il s'est toutefois avéré avantageux de relier le dispositif dynamométrique à l'amplificateur Y d'un oscillographe et le dispositif mesurant la déformation à l'amplificateur X d'un oscillographe, de manière à enregistrer un diagramme force- déformation complet, L'avantage de cette disposition réside en ce que la surface située au-dessous de la courbe obtenue correspond au travail de rupture fourni. La force et la déforma- tion peuvent être mesurées, ainsi qu'il a été déjà mentionné par voie capacitive, inductive, piézo-électrique ou au moyen d'extensomètres, avec d'ailleurs la possibilité de combiner de manière quelconque pour ces deux mesures des organes fonc- tionnant suivant les principes précités.
Dans une forme de réalisation particulièrement avantageuse de l'appareil selon l'invention, le convertisseur électro-mécanique, logé dans le mandrin de mesure et se dépla- çant avec le chariot, est établi sous la forme d'une botte dynamométrique piézo-électrique destinée à l'enregistrement de la force, et l'appareil comprend en outre, pour la mesure du comportement à la déformation, un condensateur de mesure alimenté en haute fréquence, qui se compose d'une plaque médiane mise à la tere et assujettie à demeure au chariot, ainsi que d'une paire de plaques fixes entre lesquelles est logée la plaque médiane et qui sont parcourûmes par le courant.
Les variations de capacité de ce condensateur, qui sont
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proportionnelles à la déformation, peuvent être transmises, par l'intermédiaire d'un pont de mesure capacitif et d'un amplificateur,de mesure à haute fréquence, à la déviation horizontale d'un oscillographe, tandis que les signaux électriques venant de la botte dynamométrique piézo-électrique sont transmis par l'intermédiaire d'un amplificateur à la déviation verticale de l'oscillographe.
La calotte de mesure, par laquelle la force est transmise de l'éprouvette à la botte dynamométrique conte- nue dans le mandrin de mesure, peut présenter une forme géomé- trique quelconque, par exemple celle d'un prisme, d'un cône, d'une pyramide, d'une sphère ou d'un ellipsoïde* Il s'est avéré particulièrement avantageux d'utiliser une calotte de mesure dont la ferme s'écarte de celle d'un solide de révolu- tion et qui est, de préférence, un demi-ellipsoïde à trois axes do différentes longueurs. La préférence doit être donné3 à des demi-ellipsoïdes dans lesquels le rapport des axes a/b est approxativement égal à 2/1 (voir la fig. 2).
Le travail d'accélération nécessaire pour l'obtention des vitesses d'essai élevées, c'est-à-dire les grandes vitesses du chariot portant la boite dynamométrique, peut être fourni de manière connue en soi par des masses lourdes tombant d'une hauteur déterminée, par de l'air comprimé, des liquides, des champs magnétiques, ou encore au moyen d'énergie chimique ou de toute autre manière appropriée, Une forme de réalisation particulièrement simple consiste à utiliser comme mouton le chariot contenant l'organe de mesure, en lui adjoignant des masses de valeur convenable.
La chambre de climatisation et/ou de condition- nement est, de préférence, uno chambre cylindrique qui peut,
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suivant les conditions d'essai recherchées, être chauffées à l'aide d'un fluide chauffant approprié, ou refroidie à l'aide de réfrigérants convenables. Dans le cas où il s'agit d'une chambre de climatisation, il est prévu une admission. d'air possédant la température et le taux.d'humidité souhaités.
L'obturateur qui découvre ou ferme l'orifice d'entrée de la chambre de climatisation et/ou de conditionne.. ment peut être du type à lamelles centrales, à fentes ou à poussoir. Il est actionné de préférence par le chariot de façon entièrement automatique ,par voie électrique ou mécani que, et à l'instant voulu avant l'impact du mandrin de mesure.
Une forme de réalisation avantageuse de l'obturateur prévoit, pour l'actionnement de celui-ci, une barrière lumineuse se composant d'une cellule photo-électrique et d'une source . lumineuse, et un interrupteur électronique avec un moteur électrique, qui assurent en même temps le retour du chariot à sa position d'origine.
Le support, installé à poste fixe à l'intérieur de la chambre de climatisation et/ou de conditionnement pour la fixation de la membrane-éprouvette, se compose de préférence de deux brides annulaires, dont l'une est pourvue en son milieu d'une gorge cunéiforme continue, tandis que l'autre porte un cordon complémentaire à arête abattue. Après la mise en place de l'éprouvette en forme de membrane, les deux brides sont serrées l'une sur l'autre par vissage, sans rotation relative. Il est possible d'obtenir de cette manière un serrage absolument plan de la membrane avec une faible tension initiale.
Dans le cas où le chariot portant l'organe de mesure qst constitué par un mouton, il est recommandé d'adjoin- dre à l'appareil un dispositif de freinage mécanique avec
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amortissement hydraulique et élastique, destiné à arrêter le mouton,
La description qui va suivre en regard du dessin annexé donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut tre réalisée, les particularités qui ressortent tant du dessin que du texte; faisant bien entendu, partie de ladite invention.
La figure 1 est une vue schématique de l'ensemble de l'appareil.
La figure 2 représente à plus grande échelle une partie du mandrin de mesure avec la botte dynamométrique et la calotte de mesure.
La figure 3 montre la conformation géométrique de la calotte de mesure.
Dans la forme de réalisation de l'invention re- présentée au dessin, la vitesse élevée et l'énergie que nécessite l'essai de rupture sont obtenues grâce à un chariot
2 (mouton) de masse suffisante, se déplaçant pratiquement sans frottement sur des rails de guidage 1, sur sa face inférieure le chariot 2 porte sur un mandrin central 5 une boite dynamo- , métrique piézo-électrique 3 sur laquelle est appliquée une calotte de mesure 4, et tombe d'une hauteur d'environ 2,5 mètres.
Après le franchissement d'une barrière lumineuse qui se compose d'une cellule photo-électrique 18 et d'une source lumineuse 19 et dont l'impulsion de courant détermine, par l'intermédiaire d'un interrupteur électronique 20, l'ouverture de l'obturateur 6 de la chambre de conditionnement 7, ainsi que l'abaissement simultané du dispositif 8 pour le relevage du chariot 2, la botte dynamométrique 3 pénètre dans la chambre de conditionnement 7 et vient frapper le centre de l'éprouvette en forme de membrane maintenue dans son support 10.
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Le. dispositif pour la mesure de la déformation entre simul- tanément en action ; dansl'exemple de réalisation représente, ce dispositif comprend un condensateur de mesure alimenté en haute fréquence, dont la plaque médiane (semelle) 9 à la terre est solidaire du mouton et s'engage pendant la déformation entre une paire de plaques fixes 11 en U sous tension.
La variation de capacité proportionnelle à la déformation qui se produit est transformée par le désaccord d'un pont de capacité 14, en une variation linéaire de tension qui est utilisée, par.l'intermédiaire d'un amplificateur 15, pour la déviation horizontale du rayon électronique enre- gistreur d'un oscillographe 12. Le signal proportionnel à la force, qui est donné par la botte dynamométrique piézo-électri- que 3, est amené par un câble 16 à un amplificateur 13 et utilisé pour la déviation verticale du rayon électronique dans l'oscil- lographe 12. On obtient ainsi sur l'oscillographe un diagramme force-déformation, qui caractérise l'éprouvette soumise à l'essai.
Le mouton 2 est ramené à sa position d'origine par le dispositif de relevage 8 actionné par le moteur élec- trique 17, qui est accouplé à l'obturateur 6 par l'intermé- diaire de l'interrupteur électronique 20.
Il va de soi que des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, notamment par substitution de moyens techniques équivalentssans que l'on sorte pour cela du cadre de la présente invention.
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Apparatus for testing the impact behavior of sheets, fabrics and similar flat structures,
For the development, improvement and judicious use of sheets and similar structures of low thickness intended mainly, but not exclusively, for the manufacture of packaging, it is very important to have appropriate apparatus available for ju - manage the mechanical behavior of these sheets. The same is true of fabrics of all types.
Sheets and similar flat products of different chemical and physical structure are normally subjected in use to tensile mechanical stresses which are exerted along several axes and of which the most dangerous are the stresses by impact, that is that is to say in correlation with high strain rates.
The devices used for testing under conditions similar to those of the practical impact resistance of flat structures must therefore ensure
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the application of a short-term stress along several axes, as well as the simultaneous measurement of the quantities which characterize the material subjected to stresses of this nature. These devices must make it possible to sufficiently characterize the behavior of the material tested under the most severe conditions of practice, in order to make it possible to choose the most suitable material for the envisaged application.
It is necessary to look for the sizes envisaged cation. instead of looking for physically defined measured quantities which can be compared with the results obtained by other test methods.
The reproduction of such constraints led to the development of the falling ball testing apparatus, which is still in general use today in the field of sheets. This device was preceded by the "Ball Drop Impact Tester" and the "Dart Drop Impact
Test "analog, used for the first time in the U.S.A.
These two test devices are described in "Plastics
Technology "of March 1956, pages 151 to 157 and page 178, while an improved embodiment of the" Ball Drop Impact Tester "appears in the journal" Modern Packing ", November 1951, pages 129 to 131 and 197 to 198 All these test devices are based on the principle of breaking energy measurement and therefore give an integral value as a test result.
Given, however, that, for a stress of type fixed in advance, the material examined is characterized by the variation of the deformation as a function of the force and not by the total energy of failure, infinitely ambiguous with respect to these two parameters, the results obtained with the known apparatuses make it possible to differentiate between them only under certain conditions, even materials having different strength and elongation.
It is, in principle, impossible to obtain with known testing apparatus the information sought concerning the toughness of the material examined and, consequently, its resistance to
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shock stress,
The falling ball testing apparatus and similar apparatus further measure the total fracture energy and not the damage energy, that is. that is, the work to be spent until the first crack appears. The values of these two energies can in some cases differ considerably, sometimes by more than 100%.
As has been shown by experiments carried out by the Applicant itself, however, particular importance should be attached in practice not only to the breaking strain, but also to the energy of. damage and not to the total breaking energy.
These conditions are satisfied by another known apparatus, which is free from the drawbacks affecting the above-mentioned apparatus of this type and which allows the recording of a complete force-deformation diagram on test pieces in the form of membranes, at the same time. means of electronic devices for measuring the impact force and the deformation undergone by the test piece. In this apparatus, the test piece normally clamped in the manner of a membrane, is fixed to a sheep and falls with the latter, from a defined height and with its maximum speed on a measuring mandrel permanently placed at the end. lower of the fall path.
The sheet is thus stretched over the cap in the shape of an ellipsoid or. sphere of the dynamometric box and deformed until it breaks. To enable the electronic measurement of the impact force, the kinetics of the falling ball test are therefore reversed in this test apparatus, in which the membrane at rest is pierced by a falling ball or other projectile. free, the deceleration of which is measured, from which
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it is possible to determine the total value of the energy expended to pierce the test piece (total energy of rupture).
The recorded failure diagram, the importance of which for the assessment of impact behavior is generally recognized, makes it possible to quantitatively follow the entire failure operation in the same way as for a normal tensile test following a single axis. Thus, for example, we can @ deduce from this diagram the deformations and the forces at the elastic limit and at break, as well as the corresponding values of the work (surfaces of the diagram). The figures provided by the tests also allow calculation of the breaking load at high breaking speeds.
The electronically recording test apparatus of diagrams which has just been referred to provides a multiplicity of information for each measurement which characterizes the behavior on impact of the material with a plane structure in question. derelict. The number of individual measurements is therefore considerably less than that required by methods measuring only integral quantities, such as the total breaking work and the overall impulse.
However, the known test apparatus which has just been described has the drawback of allowing experiments at temperatures deviating from room temperature only to a limited extent and with very complicated arrangements. Due to the mobility of the specimen and its displacement clearance, it would be necessary, in order to temper or air-condition the specimen during the test before and during the breaking operation, subject the entire apparatus under the conditions of the test, i.e. install it in a sufficiently large and suitably conditioned enclosure,
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or provide an appropriate conditioning device, provided with the necessary adjustment members and airlock, connected to the support of the test piece and moving with it.
The measuring caps in the form of solids of revolution used up to now do not make it possible to generate in test pieces in the form of membranes, states of internal tension directed along several axes and of which the principal tensions have different values. Now, this experimental possibility presents a considerable practical interest in addition to its purely scientific interest, given that, for example, in the case of containers such as sachets or sacks falling on the ground, it occurs for a short time. time lapse of the tension forces oriented along several axes and the value of which is not the same in the main directions of the container.
It is also known that the impact behavior of containers made from sheets of material / plastic whose chain molecules are preferably oriented in one of the main directions of the sheet (longitudinal or transverse direction) depends very significantly of the position occupied by the texture of the sheet relative to the main directions of the container or to the directions of the main tensions. Depending on the orientation and direction of the maximum tensile load, it is possible on one and the same sheet to obtain average drop coefficients which differ by several orders of magnitude.
The present invention relates to an apparatus for the control of the impact behavior of sheets, fabrics, papers and similar flat structures, apparatus in which are eliminated the aforementioned drawbacks and defects which affect the testing apparatus intended up to now for this use.
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The apparatus according to the invention, which is particularly suitable for recording force-deformation diagrams on films, fabrics, papers and the like undergoing tensile stresses by impact, along several axes, consists of of a specimen holder 'capable of moving normally in the plane of the specimen and with a high relative speed with respect to this plane on appropriate guide means, such as rails, tubes or guide bars, of a mandrel-shaped measuring device which contains a mechanical-electric converter with linear mechanical characteristics and sufficiently high natural frequency / natural frequency, as well as a corresponding electronic measuring element.
The apparatus according to the invention is characterized in that the test piece holder, in which the test piece is held clamped flat with a low initial tension, is permanently placed inside an air conditioning chamber and / or packaging, which is sealed from the surrounding environment by an appropriate shutter, an automatic system of which opens immediately before the entry of the measuring device.
The electro-mechanical converter is contained in a mandrel-shaped measuring member, which consists of a cylindrical mandrel on which is placed the electro-mechanical converter capped with a measuring cap, and the entire measuring mandrel is fixed to the center of a mobile carriage which moves on the guide members in the direction of the test piece holder enclosed in the air conditioning or conditioning chamber.
The apparatus according to the invention also advantageously comprises a device for guiding a cable which connects the electro-mechanical converter to the electronic measuring element, and of which one of the ends moves.
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at high speed with the cart, while its opposite end remains stationary. In order to eliminate the shaking due to the large travels of the cable and to the significant accelerations or slowing down of the latter, shaking which causes electrical disturbances, the cable guide is preferably made up of a slot parallel to the direction. movement and delimited by guide members known per se, for example by two rails parallel to each other, the length of said slot being at least equal to the movement clearance of the carriage.
In order to reduce the length of the cable as far as possible, the fixing point of the latter is in the middle of the travel of the carriage and as close as possible to the guide of the latter.
The force can be measured using all mechanical-electric converters with linear characteristic and sufficiently high natural mechanical frequency, for example using inductive, capacitive, piezoelectric dynanometric boots, or operating according to the principle of extensometers. The minimum natural frequency that the mechanical-electric converter must have for a faithful reproduction of the variation of the force as a function of the terans depends both on the duration and on the rate in time of the force of impact, as well as mechanical damping.
For the relative dampings (ratio between the real damping and the critical damping) likely to be commonly obtained with dynamometric boots at high natural frequency, that is to say for relative dampings between 0.05 and approximately 0.1, the natural mechanical frequency f in the particularly critical limit case of fracture by brittleness (variation of the triangular shape of the force over time) can be calculated with
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a duration of rupture T, by the formula: f> 4 T (according to Grimminger and his collaborators, in "Material'-
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prutungo 6 1.964 N 3, pages 86 to 94).
The variation of the force and the deformation of the test piece as a function of time can be recorded separately by means of the electro-mechanical converters.
However, it has proved advantageous to connect the dynamometric device to the Y amplifier of an oscillograph and the strain measuring device to the X amplifier of an oscillograph, so as to record a complete force-strain diagram, L ' advantage of this arrangement lies in that the surface situated below the curve obtained corresponds to the breaking work provided. The force and the deformation can be measured, as has already been mentioned, by capacitive, inductive, piezoelectric or by means of extensometers, with the possibility of combining in any way for these two measurements. bodies operating according to the aforementioned principles.
In a particularly advantageous embodiment of the apparatus according to the invention, the electro-mechanical converter, housed in the measuring chuck and moving with the carriage, is established in the form of a piezoelectric dynamometric boot. intended for the recording of the force, and the apparatus further comprises, for the measurement of the behavior to deformation, a measuring capacitor supplied with high frequency, which consists of a middle plate grounded and subjected to remains in the carriage, as well as a pair of fixed plates between which is housed the middle plate and which are traversed by the current.
The capacitance variations of this capacitor, which are
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proportional to the deformation, can be transmitted, via a capacitive measuring bridge and a high frequency measuring amplifier, to the horizontal deviation of an oscillograph, while the electrical signals coming from the boot Piezoelectric dynamometers are transmitted via an amplifier to the vertical deflection of the oscillograph.
The measuring cap, by which the force is transmitted from the test piece to the dynamometric boot contained in the measuring chuck, can have any geometric shape, for example that of a prism or a cone, of a pyramid, a sphere or an ellipsoid * It has been found to be particularly advantageous to use a measuring cap whose firmness deviates from that of a solid of revolution and which is, of preferably a three-axis semi-ellipsoid of different lengths. Preference should be given3 to semi-ellipsoids in which the ratio of the axes a / b is approximately equal to 2/1 (see fig. 2).
The acceleration work necessary to obtain high test speeds, that is to say the high speeds of the carriage carrying the dynamometric box, can be provided in a manner known per se by heavy masses falling from a height. height determined, by compressed air, liquids, magnetic fields, or by means of chemical energy or any other suitable manner, A particularly simple embodiment consists in using as a sheep the cart containing the organ of measure, by adding masses of suitable value.
The air conditioning and / or conditioning chamber is preferably a cylindrical chamber which can,
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depending on the desired test conditions, be heated using a suitable heating fluid, or cooled using suitable refrigerants. In the case where it is an air conditioning chamber, an admission is provided. air having the desired temperature and humidity.
The shutter which discovers or closes the inlet orifice of the air conditioning and / or conditioning chamber may be of the central lamellae, slotted or push type. It is preferably actuated by the carriage fully automatically, electrically or mechanically, and at the desired instant before the impact of the measuring mandrel.
An advantageous embodiment of the shutter provides, for the actuation of the latter, a light barrier consisting of a photoelectric cell and a source. light, and an electronic switch with an electric motor, which at the same time ensure the return of the carriage to its original position.
The support, installed at a fixed position inside the air conditioning and / or conditioning chamber for fixing the membrane-test piece, preferably consists of two annular flanges, one of which is provided in its middle with a continuous wedge-shaped groove, while the other carries a complementary bead with a blunt ridge. After the membrane-shaped test piece has been placed, the two flanges are tightened together by screwing, without relative rotation. In this way it is possible to obtain absolutely flat clamping of the membrane with low initial tension.
In the event that the carriage carrying the measuring device qst consisting of a sheep, it is recommended to add to the device a mechanical braking device with
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hydraulic and elastic damping, intended to stop the sheep,
The description which will follow with regard to the appended drawing, given by way of non-limiting example, will make it clear how the invention can be implemented, the particularities which emerge both from the drawing and from the text; naturally forming part of said invention.
Figure 1 is a schematic view of the entire apparatus.
FIG. 2 shows on a larger scale part of the measuring chuck with the dynamometric boot and the measuring cap.
Figure 3 shows the geometric conformation of the measuring cap.
In the embodiment of the invention shown in the drawing, the high speed and the energy required for the rupture test are obtained by means of a carriage.
2 (sheep) of sufficient mass, moving practically without friction on guide rails 1, on its underside the carriage 2 carries on a central mandrel 5 a dynamo, metric piezoelectric box 3 on which is applied a cap of measures 4, and falls from a height of about 2.5 meters.
After crossing a light barrier which consists of a photoelectric cell 18 and a light source 19 and whose current pulse determines, by means of an electronic switch 20, the opening of the shutter 6 of the conditioning chamber 7, as well as the simultaneous lowering of the device 8 for lifting the carriage 2, the dynamometric bundle 3 enters the conditioning chamber 7 and strikes the center of the specimen in the form of membrane held in its support 10.
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The. device for measuring the deformation simultaneously in action; in the exemplary embodiment shown, this device comprises a measuring capacitor supplied with high frequency, whose middle plate (sole) 9 to the earth is integral with the sheep and engages during the deformation between a pair of fixed U-shaped plates 11 under pressure.
The variation in capacitance proportional to the deformation which occurs is transformed by the detuning of a capacitor bridge 14, into a linear variation of voltage which is used, via an amplifier 15, for the horizontal deflection of the voltage. electronic recording beam of an oscillograph 12. The signal proportional to the force, which is given by the piezoelectric dynamometric boot 3, is brought by a cable 16 to an amplifier 13 and used for the vertical deflection of the beam electron in the oscillograph 12. A force-deformation diagram is thus obtained on the oscillograph, which characterizes the test specimen.
The ram 2 is returned to its original position by the lifting device 8 actuated by the electric motor 17, which is coupled to the shutter 6 by means of the electronic switch 20.
It goes without saying that modifications can be made to the embodiments which have just been described, in particular by substituting equivalent technical means without departing for this from the scope of the present invention.