Essais mécaniques et imagerie à grande vitesse : corrélation d'images numériques

Dans le développement de matériaux aérospatiaux, les caméras ultra-haute vitesse sont utilisées pour étudier le comportement de rupture des matériaux causé par des objets volants à grande vitesse, ainsi que la déformation et le comportement de rupture des matériaux causés par des impacts à grande vitesse. De plus, les caméras ultra-haute vitesse sont utilisées pour le développement de générateurs de poussée, la conception aérodynamique via des tests en soufflerie, l'observation des dommages lors des tests de foudre, et la recherche fondamentale sur les ondes de choc, les ondes de détonation et d'autres phénomènes de mouvement d'onde à grande vitesse.

Pour développer des moteurs automobiles à haute puissance et haute efficacité, des observations et analyses détaillées des composants structurels du moteur sont nécessaires. Cela inclut le processus d'injection de carburant par les équipements d'injection de carburant (injecteurs) et le processus d'allumage du carburant par les bougies d'allumage. De plus, le développement de carrosseries automobiles utilisant de nouveaux matériaux tels que les plastiques renforcés en fibres de carbone (CFRP), légers et très résistants, est activement poursuivi. Cependant, lors du développement de tels nouveaux matériaux, il est nécessaire d'observer et d'analyser le comportement de déformation et de rupture des matériaux lorsqu'ils subissent un impact. Ces dernières années, le comportement de déformation des matériaux enregistré à l'aide de caméras ultra-haute vitesse a été analysé à l'aide de logiciels d'analyse d'images.

Les aciers à haute résistance (HSS) offrent de meilleures propriétés mécaniques que les aciers de construction conventionnels et sont largement utilisés dans le domaine automobile. En effet, la haute résistance spécifique (résistance à la traction divisée par la densité) des HSS joue un rôle clé dans la réduction du poids des pièces automobiles, contribuant ainsi à la réduction des émissions de CO2. L'une des propriétés mécaniques de base des matériaux est la résistance à la traction, qui peut être mesurée par un test de traction statique conventionnel (basse vitesse). Cependant, comme la résistance à la traction des HSS augmente avec le taux de déformation, la valeur de résistance à la traction obtenue par un test statique pourrait ne pas être adaptée à une conception précise des composants. Pour cette raison, afin de garantir une conception sûre et efficace des pièces automobiles susceptibles de subir des impacts (charges à grande vitesse), des tests à grande vitesse doivent être réalisés pour étudier la relation entre la résistance à la traction du matériau et le taux de déformation. Dans ce travail, la relation résistance à la traction-taux de déformation a été évaluée avec des tests de traction à des vitesses allant de 0,0001 m/s à 5 m/s. Les dents de prise avec un goupillon ont permis de réaliser les tests sans glissement. Les résultats ont montré que la résistance à la traction à grande vitesse est 10 % supérieure à celle mesurée à basse vitesse.

La cellulose est le principal composant des plantes. C'est aussi le glucide le plus abondant sur terre et a été utilisé comme matière première pour le papier et les textiles depuis l'Antiquité. Ces dernières années, les nanofibres de cellulose (CNF) avec une fonctionnalité supérieure, réalisées par la défibrage de la cellulose au niveau nanométrique, ont attiré une attention considérable. Le CNF a un faible impact environnemental, car il s'agit d'un matériau d'origine végétale, et possède une variété de fonctions souhaitables, y compris une faible expansion linéaire, une propriété barrière aux gaz et une transparence. Il est également léger, pesant seulement 1/5 du poids de l'acier, et affiche une résistance spécifique 5 à 8 fois supérieure à celle des matériaux ferreux. Il est essentiel de clarifier non seulement les propriétés mécaniques statiques des matériaux, mais aussi leurs propriétés d'impact, leurs caractéristiques de fatigue et leurs caractéristiques thermiques. Dans cet article, la résistance à la traction des plastiques renforcés en CNF a été évaluée à différentes vitesses de test (taux de déformation) à l'aide d'une machine d'essai Shimadzu et d'une machine de test d'impact haute vitesse. Les surfaces de fracture des échantillons après les tests ont également été observées à l'aide d'un microanalyseur à sonde électronique (EPMA).

Comparaison et dépendance des techniques intégrées du système HITS-T10 et des techniques supplémentaires pour mesurer les forces et tensions de test, les déplacements et les déformations. Mesure innovante avec la caméra HPV-X2 et analyse DIC, grâce auxquelles les véritables contraintes et déformations de test peuvent être calculées.

Dans cette expérience, le comportement de rupture du verre renforcé dans un test de flexion anneau sur anneau a été observé à l'aide d'une caméra vidéo haute vitesse Shimadzu Hyper Vision HPV™ -X2. Le HPV-X2 a une vitesse d'enregistrement maximale de 10 millions d'images par seconde (10 Mfps), ce qui a permis d'observer clairement le point d'origine de la fracture ainsi que l'état détaillé de la propagation des fissures.

Cet article présente un exemple d'observation du comportement de rupture d'un bloc acrylique ayant un trou rond au centre lors d'un test de compression par impact utilisant la méthode de la barre de Hopkinson. De plus, un motif aléatoire a été réalisé sur la surface de l'échantillon, et la distribution de déformation à la surface a été visualisée par analyse DIC.

Contrairement à l'hypothèse précédente selon laquelle les matériaux ne se rompent pas sous fatigue si la contrainte appliquée est inférieure à la limite de fatigue dite ; avec la disponibilité des nouvelles techniques de test de fatigue à très haute cycle (VHCF), il a été constaté que les matériaux échouent sous charge de fatigue même lorsque les contraintes sont inférieures à la limite de fatigue conventionnelle, suggérant l'inexistence d'une telle limite. Certains alliages des deux types de réseau (bcc et fcc) montrent un changement dans le site d'initiation de fissure de la surface à la sous-surface dans une région allant de HCF à VHCF.

Les plastiques renforcés en fibres (FRP) ont des propriétés mécaniques supérieures par rapport au poids unitaire par rapport aux matériaux métalliques tels que l'acier et l'aluminium, et sont donc désormais utilisés comme matériaux de substitution aux métaux dans une variété de produits industriels. Particulièrement ces dernières années, des fibres de carbone de haute qualité, des préimpregnés résine-impregnés contenant ces fibres, et des technologies de moulage avancées ont été développés. En conséquence, les FRP ont maintenant gagné une large acceptation et ont un large historique d'utilisation réelle, et commencent également à être utilisés dans les principales pièces structurelles des avions et des automobiles, où une haute fiabilité est essentielle. Cependant, dans le cas des plastiques renforcés en fibres de carbone (CFRP), qui se composent de fibres de carbone et de résine, en combinaison avec l'existence d'interfaces adhésives, le processus de défaillance a également un mécanisme extrêmement complexe.