FR2954498A1 - Dispositif de controle d'un materiau viscoelastique - Google Patents
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Abstract
Selon l'invention, l'échantillon (13) est placé dans une chambre (20) située entre une source de vibrations (22) et un capteur de vibrations (25), ces éléments étant appliqués les uns aux autres par des moyens de mise sous contrainte mécanique initiale (35, 39).
Description
L'invention se rapporte à un dispositif de contrôle d'un matériau viscoélastique solide tel qu'un élastomère, un polymère réticulé ou une résine. Un tel dispositif est notamment destiné à évaluer le vieillissement dudit matériau en le soumettant périodiquement à des cycles de sollicitation et de mesure. Un domaine d'application privilégié de l'invention est le contrôle de vieillissement d'un chargement de propergol solide dans un propulseur. Dans le domaine de la propulsion, par exemple, les propriétés mécaniques des chargements de propergol solide d'un propulseur, sont susceptibles d'évoluer en vieillissement. Ces évolutions sont notamment causées par l'environnement de stockage du propulseur, par exemple en fonction de la présence d'oxygène, d'humidité, de la salinité, de la température et de ses variations. Ainsi, l'oxygène présent à l'intérieur d'un canal d'un chargement de propergol solide peut conduire à l'oxydation du liant qui entraîne une sur-réticulation de celui-ci et donc un durcissement de la masse viscoélastique. En présence d'une forte hygrométrie, le propergol solide a au contraire tendance à se ramollir. Les chargements de propergol solide peuvent donc, en cours de stockage, se ramollir ou se durcir selon l'environnement de stockage. La dégradation des propriétés mécaniques d'un chargement de propergol solide peut causer l'échec du tir du propulseur. Il est donc souhaitable de mesurer l'évolution dans le temps des propriétés mécaniques d'un chargement de propergol solide afin de statuer sur l'aptitude au tir du propulseur lui-même. Le même type de problème se rencontre évidemment dans le domaine des têtes militaires en explosifs. Il est connu de mesurer les propriétés mécaniques d'un matériau viscoélastique ; cette mesure repose sur la réponse dynamique mécanique du matériau sous une sollicitation mécanique vibratoire. Une telle mesure connue consiste à appliquer un déplacement oscillatoire hors résonance à un échantillon du matériau à analyser. La force dynamique résultante transmise par celui-ci est mesurée, Les principes en viscoélasticité linéaire sont applicables aux faibles niveaux de déformation de l'échantillon, Dans ces conditions, l'analyse en phase et en iodule des signaux de déplacement et de force captée en réponse, pOLli L, CLi'dilC±''.D Cle SOlilcitation, CJ'tux paramètres dénommés "module dynamique" et "facteur de perte" qui sont représentatifs du vieillissement du matériau. Plus particulièrement, si une contrainte sinusoïdale est appliquée à une fréquence f au matériau, lors d'une mesure mécanique dynamique, 5 le signal de contrainte peut s'écrire :
a(t) = Go . sin (cet)
avec 10 - c~o : amplitude du cycle de contrainte - (o = 27cf : pulsation en radis - t : le temps. Le signal de réponse en déformation (mesure) d'un matériau viscoélastique s'écrit : 15 e(t) = eo.sin (cet - Ô)
le facteur de perte est la tangente de l'angle 8 le module dynamique est le rapport de l'amplitude du signal de 20 contrainte et de celle du signal de réponse en déformation du matériau. On connaît un appareil de laboratoire nommé viscoanalyseur permettant de connaître la réponse dynamique mécanique d'un échantillon. Un tel appareil comprend généralement un générateur 25 électrodynamique de signaux sinusoïdaux à fréquence et amplitude programmables, un pot d'excitation électrodynamique comprenant notamment un circuit magnétique et des bobines d'excitation, alimenté par le générateur, un capteur de déplacement dynamique qui mesure l'amplitude de la sollicitation appliquée à l'échantillon, une structure 30 comprenant le porte-échantillon contenant l'échantillon à analyser. Ce dernier est collé sur le porte-échantillon et un capteur de détection de force dynamique relevant le signal de la sollicitation transmise par l'échantillon. Cet ensemble est très rigide, et sa masse est très importante, 35 ILs 2UU kg.
Le suivi dans le temps des propriétés mécaniques d'une masse de matériau solide viscoélastique, pour déterminer son vieillissement ne peut donc être réalisé, avec un tel équipement, qu'en prélevant un échantillon sur une série d'échantillons du même matériau solide viscoélastique, ou en découpant un échantillon sur le matériau à surveiller, et à effectuer la mesure avec un viscoanalyseur du type décrit ci-dessus. Par ailleurs, des tentatives ont été faites pour déterminer le vieillissement d'une telle masse de matériau viscoélastique en y incorporant des capteurs piézoélectriques reliés à des centrales de mesure, pour mesurer périodiquement au cours du temps l'évolution de leurs propriétés mécaniques, en corrélation avec le vieillissement. Ainsi, les documents de brevet US 4 074 563 et 5 038 295 décrivent des procédés de mesure des propriétés mécaniques d'un chargement de propergol solide par l'intermédiaire de capteurs piézoélectriques implantés dans la masse du propergol. Un des problèmes lié à ce type de surveillance est la difficulté d'implanter des capteurs dans le matériau viscoélastique au moment de sa fabrication, par exemple au moment de la coulée du propergol solide dans le propulseur. De plus, la présence de tels capteurs dans le matériau viscoélastique modifie localement les propriétés du matériau et peut être une source de défaillance (par exemple à cause d'une fissuration). Ces capteurs peuvent aussi générer des problèmes de sécurité, notamment par échauffement local. Surtout, la localisation des capteurs dans le matériau lui-même ne permet pas de suivre une évolution des propriétés dans la "peau" de la masse dudit matériau, cette zone étant la plus exposée au vieillissement en raison des échanges de surface entre les zones superficielles du matériau et l'environnement. Il est donc souhaitable de disposer d'un dispositif de mesure des propriétés mécaniques d'un matériau viscoélastique pour évaluer son vieillissement, qui soit susceptible d'être incorporé dans des systèmes confinés ou dangereux. L'invention permet d'atteindre cet objectif. L'invention concerne en premier lieu un dispositif de contrôle d'un matériau viscoélastique, caractérisé en ce qu'il comporte un porte-échantillon dans lequel est définie une chambre destinée à recevoir un eer Jinmen audit iiiàteridu, en Le que LC' purte-eeridntiiion c.-unlboi te crue une source de vibrations couplée à une paroi de ladite chambre, un capteur de vibrations couplé à une autre paroi de ladite chambre et des moyens de mise sous contrainte mécanique initiale pour appliquer les deux parois précitées de ladite chambre contre l'échantillon, ledit capteur de vibrations étant connecté à des moyens de calcul pour extraire du signal délivré par ledit capteur au moins un paramètre représentatif de l'état de l'échantillon. La source de vibrations peut être un actionneur piézoélectrique appliquant des déplacements pouvant aller jusqu'à 15 pm à des fréquences allant jusqu'à 500 Hz. Il est asservi en position par une électronique de commande et une jauge de déformation intégrée. Le capteur de vibrations fonctionne en compression ou en traction/ compression. De préférence, l'échantillon est monté entre les deux parois précitées de la chambre. Le positionnement de l'une des parois au moins est réglable. De cette façon, l'échantillon n'est pas collé mais simplement maintenu en légère compression entre ces deux parois. Le réglage d'une tige filetée permet de régler la précontrainte de compression qui maintient l'échantillon dans le porte-échantillon. Des moyens de blocage permettent de stabiliser cette précontrainte. La sortie électrique du capteur de vibrations est reliée aux moyens de calcul précités, qui déterminent les paramètres représentatifs du vieillissement. Lesdits paramètres sont mémorisés à chaque mesure et l'évolution de leurs valeurs dans le temps, permet d'apprécier ledit vieillissement. On a constaté de façon surprenante qu'une faible contrainte initiale appliquée à l'échantillon est suffisante pour le maintenir en place et pour obtenir une mesure fiable. On entend par faible contrainte une contrainte inférieure à 10 newtons, par exemple. Elle peut avantageusement être inférieure ou égale à 5 newtons. En effet, une éventuelle faible diminution de la contrainte liée à la relaxation de l'échantillon au cours du temps n'a pas d'influence significative sur la mesure (module et angle de perte) des propriétés mécaniques de l'échantillon. Par conséquent, la mesure de ces propriétés mécaniques peut être réalisée périodiquement sans un réétalonnage de la précontrainte à sa valeur d'origine et donc sans intervention sur le dIbpiabitit. Ji plut donc. éCie implanté dans un endroit relativement inaccessible notamment à proAimité immédiate d'une masse plus
importante du même matériau viscoélastique dont on désire surveiller le vieillissement. De plus, la chambre de l'échantillon délimitée par les deux parois précitées est pourvue de fenêtres mettant l'échantillon en contact avec l'environnement extérieur de la masse à surveiller. Ainsi ledit échantillon est soumis aux mêmes conditions de vieillissement que la masse de matériau viscoélastique dont on surveille le vieillissement. L'invention est particulièrement adaptée pour l'évaluation du vieillissement d'un propergol solide. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle- ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un dispositif conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique du dispositif de contrôle d'un matériau viscoélastique solide conforme à l'invention ; et - la figure 2 illustre schématiquement la chargement de propergol solide d'un propulseur dans laquelle se trouve implanté le dispositif de la figure 1. En considérant plus particulièrement les figures 1 et 2, on a représenté un dispositif de contrôle 11 d'un matériau viscoélastique apte à recevoir un échantillon 13 d'un tel matériau, ici sous la forme d'un petit bloc cylindrique. Le dispositif comporte un boîtier 15 comprenant un corps 16 globalement cylindrique et tubulaire auquel est rattachée une membrure courbe 17 permettant de le fixer à un support choisi, au voisinage d'une masse plus importante du même matériau, selon une configuration qui sera décrite plus loin. Le corps 16 constitue une partie du porte-échantillons 19 puisqu'il définit en son milieu, avec deux parois 27, 29, une chambre 20 destinée à recevoir l'échantillon 13. Le corps abrite de part et d'autre de ladite chambre 20, une source de vibrations 22, sous la forme d'un actionneur piézoélectrique et un capteur de vibrations 25 (capteur de force). La source de vibrations 22 est couplée à la paroi 27 de la chambre tandis que le capteur 25 est couplé à une autre paroi 29 de la même chambre. Ces deux parois 27, 29, en forme de disque, enserrent l'échantillon et constituent deux parois d'extrémité parallèles opposées de id LiicliuiL 20. Llies ne sont ous tixees l'Ateildul du cornu tubulaire 16
mais elles sont appliquées, sous faible contrainte, contre deux faces opposées de l'échantillon 13. La source de vibrations 22 s'applique par une protubérance axiale 30 au centre de la face en regard de la paroi 27, laquelle comporte une creusure 32 dans laquelle s'engage la protubérance 30. Une vis 31 est engagée dans une portion d'extrémité filetée du corps 16. La source de vibrations 22 prend appui sur cette vis, ce qui définit la position de ladite source de vibrations à l'intérieur du corps. Le capteur de vibrations 25 est en contact avec la paroi 29 par une extrémité et avec une sorte de piston 35 monté coulissant dans le corps 16. Ce piston fait partie des moyens de mise sous contrainte mécanique initiale (réglés une fois pour toute) de l'échantillon 13. Plus précisément, ces moyens de mise sous contrainte comportent une vis à tête creuse 37 engagée dans une autre portion d'extrémité filetée du corps 16 à l'opposé de la première et une vis de réglage 39 engagée dans un trou axial fileté 40 de la vis 37. L'extrémité extérieure de la vis de réglage 39 comporte un trou à six pans pour le réglage et son extrémité intérieure comporte une creusure 43 en regard d'une creusure 44 pratiquée au centre du piston 35. Une bille 45 est intercalée entre ces deux creusures. La source de vibrations 22 est alimentée en énergie électrique par un générateur de tension sinusoïdale 48 à amplitude (A) et fréquence (F) ajustables. Le capteur de vibrations est relié à un dispositif de mesure et de calcul 50 recevant le signal vibratoire sinusoïdal émis par le capteur. Le dispositif de mesure et de calcul 50 est conçu pour déduire du signal reçu les deux paramètres définis ci-dessus (facteur de perte et module dynamique), compte tenu du signal d'excitation transmis par le générateur 48 (liaison 52). La conception du dispositif 50 est à la portée de l'homme du métier.
Lorsque l'échantillon est mis en place, la contrainte initiale de quelques newtons est appliquée à l'échantillon 13 via les parois 27, 29, par le réglage de la vis 39. Cette contrainte initiale faible permet de bien coupler la source de vibrations 22, l'échantillon 13 et le capteur 25, sans entraîner ci relaxation notable du matériau constituant l'échantillon, au Lou; Ciul evite de devct eieudler nericxIguement !es réglages.
Selon une autre caractéristique avantageuse, la chambre 20 est pourvue de fenêtres 55 mettant l'échantillon en contact avec l'environnement extérieur où se trouve installé le porte-échantillon. Plus précisément, les fenêtres 55 sont pratiquées dans le corps 16, entre les deux parois 27, 29 de ladite chambre. La figure 3 montre l'implantation du dispositif qui vient d'être décrit dans un propulseur 58 comprenant un chargement de propergol solide. Le porte-échantillon est conformé et dimensionné pour être placé au voisinage d'une masse de matériau de même nature que celui qui est placé dans ladite chambre. Autrement dit, l'échantillon 13 est ici constitué par le même matériau que celui qui constitue le chargement de propergol solide 60. Dans cet exemple, le dispositif est fixé par la membrure courbe 17 le long de l'allumeur 57 du propulseur 58. Celui-ci comprend un corps 59 prolongé par une tuyère 62 et abritant le chargement de propergol solide 60. Ce dernier comporte, dans son état initial, un évidement axial 65 communiquant avec la tuyère et abritant l'allumeur 57 ainsi que le dispositif 11 objet de l'invention. Ainsi, avant mise à feu, l'échantillon est exposé aux mêmes conditions environnementales que le chargement 60 dont on veut évaluer le vieillissement. Pendant cette période, le porte-échantillon est monté en permanence à l'intérieur du chargement mais le générateur 48 et le dispositif de mesure et de calcul 50 ne sont connectés que pendant les phases de mesure.
Des cycles de mesure des deux paramètres précités sont effectués périodiquement par raccordement du générateur 48 et du dispositif 50. Les mesures et/ou les deux paramètres calculés sont mémorisés pour pouvoir en déduire l'évolution du vieillissement. L'invention a un domaine d'application plus large que celui de l'exemple ci-dessus. Les matériaux solides viscoélastiques concernés peuvent être soit en simple stockage soit intégrés à but fonctionnel dans des systèmes (voitures, avion, propulseur, bâtimentu.). Compte tenu de l'autonomie du dispositif, son utilisation est particulièrement adaptée pour les systèmes uie, coi 'flués ou uclnuei eu, comme les propulseuls, les LeLes les centrales nucléaires, les stations spatiales, les plateformes sous marines.
Claims (8)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de contrôle d'un matériau viscoélastique, caractérisé en ce qu'il comporte un porte-échantillon dans lequel est définie une chambre (20) destinée à recevoir un échantillon (13) dudit matériau, en ce que ce porte-échantillon comporte en outre une source de vibrations (22) couplée à une paroi (27) de ladite chambre, un capteur de vibrations (25) couplé à une autre paroi (29) de ladite chambre et des moyens de mise sous contrainte mécanique initiale (35, 39) pour appliquer les deux parois précitées de ladite chambre contre l'échantillon, ledit capteur de vibrations étant connecté à des moyens de calcul (50) pour extraire du signal délivré par ledit capteur au moins un paramètre représentatif de l'état de l'échantillon.
- 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la 15 mise sous contrainte mécanique initiale est inférieure à 10 N.
- 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite contrainte mécanique initiale est inférieure ou égale à 5 N.
- 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite source de vibrations émet des vibrations 20 sinusoïdales à fréquence réglable.
- 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un paramètre précité est le facteur de perte du matériau.
- 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'un paramètre précité est le module dynamique dudit matériau. 25
- 7. Dispositif selon l'un des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite chambre d'échantillon est délimitée par les deux parois (27, 29) précitées agencées parallèlement l'une à l'autre et en ce que la partie de la chambre (20) s'étendant entre lesdites deux parois est pourvue de fenêtres (55) mettant ledit échantillon en contact avec 30 l'environnement extérieur où se trouve installé ledit porte-échantillon.
- 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit porte-échantillons est conformé et dimensionné pour être placé au voisinage d'une masse de matériau (60) de même nature que celui qui est placé dans ladite chambre. 35 selun Hue des revendi( citions pré( eaentps Larde et [se en ce (lue ledit matériau est un propergol solide.
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