Zoom in the Lab

30 - Rupture filmée en direct

Ecrasement d'une structure composite du type de celles qui équipent les fonds de barque d'hélicoptère [video]

Pour mieux comprendre les phénomènes de rupture, en particulier dans les matériaux composites, des chercheurs de l’Onera filment l’initiation et la propagation des fissures mécaniques à l’aide de caméras numériques ultra-rapides.

Lorsqu’on parle d’ondes, on pense aux ondes électromagnétiques comme la lumière, ou aux ondes acoustiques responsables des sons. Mais il existe aussi les ondes mécaniques, associées aux efforts qui se propagent en dynamique au cœur ou en surface des structures solides. «  Quand on frappe un rail métallique d’un coup de marteau à une extrémité, le choc se propage jusqu’à des kilomètres de distance, comme une onde », observe Eric Deletombe, chef de l’unité « Résistance et conception des structures » de l’Onera à Lille. La vitesse de propagation du choc dépend du matériau, et atteint approximativement 5 kilomètres par seconde dans les métaux. Or la vitesse de rupture (comprenez déchirure) dans les matériaux dépend du matériau et est en théorie, pour les chargements dynamiques, du même ordre de grandeur que ces ondes mécaniques (plusieurs centaines de mètres par seconde). « Notre laboratoire de Dynamique Rapide des Structures et Collisions (DRSC) s’intéresse beaucoup à la simulation (prédiction numérique) des phénomènes d’endommagement et de rupture dans les structures : savoir modéliser la propagation de la déchirure n’est ce pas aussi savoir dire si cette dernière sera d’importance limitée ou majeure, ce qui est fondamental pour la sécurité des passagers ? », interroge Eric Deletombe.

  
Différents stades du développement d'une fissure
à la vitesse de propagation de  400 m/s

Les chercheurs de l’Onera tentent donc de modéliser le phénomène de la rupture, ce qui s’avère d’une grande complexité : un métal n’est pas homogène, mais constitué de grains. La rupture empruntera finalement un chemin « inscrit » dans le matériau, mais inconnu a priori. Les modèles mécaniques sont nécessairement des approximations plus ou moins précises de cette réalité, fondés sur des hypothèses et respectant heureusement certains grands principes de la Physique. Ils doivent donc être confrontés à des essais réels pour être validés et améliorés. Pour cela, l’Onera dispose de caméras numériques destinées à observer et enregistrer la propagation des phénomènes dynamiques. Sachant que pour une éprouvette d’une dizaine de centimètres, la rupture ne durera que quelques microsecondes, on est bien loin du caméscope familial à 24 images par seconde : les appareils utilisés ici enregistrent jusqu’à 400 000 images chaque seconde, et ce avec une très haute résolution (1024 x 1024 pixels) car les fissures étudiées à ce stade de la recherche sont en plus particulièrement fines.

Caméra ultra-rapide en configuration d'essai. Pour le "tir", les portes de l'enceinte sont fermées. La rupture de l'éprouvette, rétro-éclairée est filmée au travers d'un hublot

L’avènement de caméras numériques représente en ce sens un progrès considérable. « Les caméras argentiques étaient efficaces, mais coûteuses en films et peu pratiques. Grâce aux caméras numériques, nous pouvons exploiter directement les enregistrements sans attendre le développement des films, et recommencer immédiatement l’expérience pour l’améliorer ou la compléter », se réjouit le chercheur. Un essai de fissure est en effet une opération lourde, impliquant des machines de chocs ou des lanceurs à air comprimé ou à poudre pour propulser un projectile à quelques centaines voire un millier de mètres par seconde. Un protocole expérimental rigoureux doit être mis en place pour éviter tout raté (chaque essai est destructif, et les éprouvettes souvent coûteuses). Les informations recueillies par la caméra ultra-rapide permettent non seulement de retracer la chronologie des événements mais également de compléter les informations collectées par l’instrumentation conventionnelle, et d’en vérifier le domaine de validité. Le format numérique de ces enregistrements permet enfin une interfaçage direct avec les outils actuels de traitement informatique.

  
Traversée d'un caisson de réservoir par un projectile

La forme de la fissure, la vitesse de sa propagation, sa direction,… toutes ces observations servent à valider les modèles. « Nous sommes loin de savoir modéliser la ruine et la rupture des structures industrielles, prévient cependant le chercheur. La théorie nous permet de le faire pour des matériaux dits fragiles, comme le verre, et des structures élémentaires. Ce n’est pas encore le cas pour les métaux et les structures complexes. » D’un autre côté, l’industrie aéronautique et spatiale incorpore de plus en plus de composites contenant des fibres de carbone dans leurs composants. Plus légers que l’aluminium, ils ont une résistance et une raideur équivalentes,Champ de pression calculé dans le fluide du réservoir à la traversée d'un projectile et développent généralement un comportement plus « fragile » que les métalliques :on peut donc espérer mieux modéliser leur ruine et leur rupture une fois leur comportement mieux établi. Avec l’usage croissant de ces matériaux, on assiste ainsi à un incrément d’intérêt pour ces travaux de modélisation. « Les théories deviennent applicables pour des études plus industrielles, et la conception de structures composites intégrant la prise en compte des mécanismes de rupture et de ruine structurale dynamique est dès lors envisageable », souligne Eric Deletombe.

Ces recherches visent finalement à comprendre les mécanismes fondamentaux pilotant la rupture, mais aussi à permettre de tester concrètement la sécurité des futurs aéronefs. « Nous pouvons installer la caméra chez le client ou l’utiliser chez nous. Nous fournissons soit les données brutes, soit une analyse des résultats afin d’aider aux choix de conception des appareils. »