Étude et Conception d’une machine automatisée et compacte pour des essais de fatigue en flexion plane
Cette recherche explore la conception d’une machine automatisée pour les essais de fatigue en flexion plane. Le projet vise à développer une solution compacte et silencieuse en éliminant les vibrations grâce à un moteur pas à pas. La machine permet de réaliser des tests sur plusieurs éprouvettes simultanément à l’aide de deux rampes parallèles. L’étude comprend une analyse fonctionnelle, le dimensionnement et la validation du modèle proposé avec des logiciels de CAO.
École Nationale Polytechnique
Département de Génie Mécanique
Diplôme d’Ingénieur d’État en Génie Mécanique
Mémoire de Projet de Fin d’Études
Étude et Conception d’une Machine Automatisée et Compacte pour des Essais de Fatigue en Flexion Plane
Bouarada Aymen Seif Eddine
Supervisé par: M. Yacine Belkacemi M.C.A & M. Brahim Guergueb M.A.A
2020-2021
Composition du jury
PrésidentM. Djamel SaidiMCBENPPromoteurM. Yacine BelkacemiMCAENPPromoteurM. Brahim GuerguebMAAENPExaminateurM. Mohamed LatrecheMAAENP
Remerciements
Tout d’abord je veux remercier dieu parce que sans dieu nous ne serions pas là, qui nous a donné la force et la patience d’accomplir ce modeste travail.
En second lieu, je tiens à remercier sincèrement Mr. YACINE BELKACEMI et Mr. BRAHIM GUERGUEB, qui, en tant que mes encadreurs pour ce projet et d’être mes profs pendant 3 ans
d’ingéniorat, ils ont été disponibles et m’ont guidé tout au long de ce projet.
Je veux remercier également les membres du jury pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail en acceptant d’examiner ce travail.
Un grand remerciement à Mr. Amine MEZGHRANI pour m’avoir accueilli dans son atelier ACMP a OULED MOUSSA, ainsi que les ingénieurs FOUAD, REDHA ET YOUCEF. Ils m’ont vraiment aidé avec des propositions coté conception et pour la réalisation de la machine.
Ces remerciements vont aussi au corps professoral et administratif de l’École Nationale Polytechnique, pour la richesse et la qualité de leur enseignement, qui déploient de grands efforts pour assurer à leurs étudiants une bonne formation.
Enfin, j’adresse mes plus sincères remerciements à tous mes proches et amis, qui m’ont toujours soutenu et encouragé au cours de la réalisation de ce mémoire.
Merci à tous et à toutes.
Dédicaces
À MES CHERS PARENTS
Que ce modeste travail soit l’exaucement de vos vœux tant formulés, le fruit de vos innombrables sacrifices, bien que je ne vous en acquitte jamais assez.
Puisse Dieu, le Très Haut, vous accorder santé, bonheur et longue vie et faire en sorte que jamais je ne vous déçoive.
À mes sœurs Amira et sa famille, Meriem, Bouthaina, Rahma et sans oubliant le petit Mouayed, j’aime beaucoup et je vous souhaite pour vous que la réussite et le bonheur Nchalah.
À ma grande famille mon grand-père, mon oncle, mes coussins, le bonheur et l’amour et compassion.
À messieurs Belkacemi, Guergueb qui ont su bien être là pour me conseiller et me soutenir.
À tous mes amis Mahmoud, Abderrahmane, Krimou, Aymen, Achref, Mouh, Khalifa et Fayçal, source de la joie et l’espoir.
À mes amis que j’ai rencontrés au département de mécanique je vous souhaite tout le bonheur, le succès je vous aime les gars.
Table de matière
Listes des Figures Listes des Tableaux Nomenclatures
Introduction générale 11
CHAPITRE 1: NOTIONS SUR LA FATIGUE ET ETAT DE L’ART 13
• Introduction 14
• Definitions 14La fatigue 14Description de la fatigue d’une pièce métallique 16L’endommagement des matériaux 17Définition 17Dommage associé à une défaillance 17L’endurance des matériaux 18Tests d’endurance 18Courbe d’endurance (courbe de Wöhler) 18Limite d’endurance 20Essai de fatigue 20Définition 20Classification des sollicitations 21Phases de propagation de fissure 21Éprouvette d’essai 23Influence de l’usinage sur la fatigue 26Machine d’essai de fatigue 27
• La fatigue 14
• Description de la fatigue d’une pièce métallique 16
• L’endommagement des matériaux 17Définition 17Dommage associé à une défaillance 17
• Définition 17
• Dommage associé à une défaillance 17
• L’endurance des matériaux 18Tests d’endurance 18Courbe d’endurance (courbe de Wöhler) 18Limite d’endurance 20
• Tests d’endurance 18
• Courbe d’endurance (courbe de Wöhler) 18
• Limite d’endurance 20
• Essai de fatigue 20Définition 20Classification des sollicitations 21Phases de propagation de fissure 21Éprouvette d’essai 23Influence de l’usinage sur la fatigue 26Machine d’essai de fatigue 27
• Définition 20
• Classification des sollicitations 21
• Phases de propagation de fissure 21
• Éprouvette d’essai 23
• Influence de l’usinage sur la fatigue 26
• Machine d’essai de fatigue 27
• Conclusion 28
CHAPITRE 2: PROCEDURE DE LA CONCEPTION 29
• Introduction 30
• Cahier de charge 30Le but de ce projet 30Les étapes de test de fatigue 30
• Le but de ce projet 30
• Les étapes de test de fatigue 30
• Generation de la solution 30Le choix du moteur 31Les systèmes de mouvements 32Système pignon-crémaillère 32Éprouvettes articulés 33Vis à billes 34Choix de l’éprouvette 34Fixation de l’éprouvette 34Fixation par étau 35Entrainement de l’éprouvette 35Éléments de guidage 37Plaque de guidage 37Tige de guidage 38Guidage linéaire 38Entretoise 39Accouplement 39Plaque de fixation 40La base 41La machine 41
• Le choix du moteur 31
• Les systèmes de mouvements 32Système pignon-crémaillère 32Éprouvettes articulés 33Vis à billes 34
• Système pignon-crémaillère 32
• Éprouvettes articulés 33
• Vis à billes 34
• Choix de l’éprouvette 34
• Fixation de l’éprouvette 34Fixation par étau 35Entrainement de l’éprouvette 35
• Fixation par étau 35
• Entrainement de l’éprouvette 35
• Éléments de guidage 37Plaque de guidage 37Tige de guidage 38Guidage linéaire 38Entretoise 39
• Plaque de guidage 37
• Tige de guidage 38
• Guidage linéaire 38
• Entretoise 39
• Accouplement 39
• Plaque de fixation 40
• La base 41
• La machine 41
• Conclusion 43
CHAPITRE 3: LE DIMENSIONNEMENT 44
• Introduction 45
• Dimensionnement de l’éprouvette 45Distribution de contrainte 45La relation entre la flèche et contrainte 47
• Distribution de contrainte 45
• La relation entre la flèche et contrainte 47
• Dimensionnement des plaques 49Plaque de fixation 49Plaque de guidage 49
• Plaque de fixation 49
• Plaque de guidage 49
• Dimensionnement des tiges 50
• Dimensionnement de la vis 51
• La fréquence de rotation du moteur 52
• Dimensionnement des roulements 54
• Test de fatigue de l’éprouvette sur SOLIDWORKS 57
• Conclusion 59
CHAPITRE 4: LA GAMME D’USINAGE 60
1 Introduction 61
• La gamme d’usinage 61Son but 62Gamme d’usinage des pièces 62
• La gamme d’usinage 61
• Son but 62
• Gamme d’usinage des pièces 62
Conclusion générale 68
Bibliographie 69
Annexe 70
Liste des figures et tableaux
Figure 1.1 cycle de contrainte de fatigue 15
Figure 1.2 Les différentes sollicitations et les tracés σ,ε en fonction du temps 16
Figure 1.3 La courbe de Wöhler 19
Figure 1.4 Test de fatigue traction-compression 21
Figure 1.5 Amorçage par formation d’intrusion-extrusion 22
Figure 1.6 Les 3 stades de la propagation stable 22
Figure 1.7 Forme et dimensions d’éprouvette de traction 23
Figure 1.8 Caractéristiques géométriques des éprouvettes de traction normalisées 24
Figure 1.9 Tolérances à appliquer sur éprouvettes de traction 25
Figure 1.10 Éprouvette plate à section rectangulaire constante 25
Figure 1.11 Éprouvette à section rectangulaire à un profil triangulaire d’égale résistance 26
Figure 1.12 Machine de test fatigue de Berchem et Hocking 28
Figure 2.1 La machine conçue en 2013 au département de L’ENP d’Alger 31
Figure 2.2 Moteur pas à pas 31
Figure 2.3 Modèle CAO du pignon-crémaillère 32
Figure 2.4 Modèle CAO du système arbre-bras 33
Figure 2.5 Modèle CAO de la vis à billes 34
Figure 2.6 Modèle CAO de l’étau 35
Figure 2.7 Plaque de guidage percée avec des cylindres d’entraînement 35
Figure 2.8 Plaque de guidage percée avec des vises d’entraînement 36
Figure 2.9 Plaque de guidage avec des calles 36
Figure 2.10 Plaque de guidage qui supporte la noix 37
Figure 2.11 Tige de guidage 38
Figure 2.12 Douilles à billes à collerettes 38
Figure 2.13 Douilles à billes 38
Figure 2.14 coussinet autolubrifiante 38
Figure 2.15 Entretoise 39
Figure 2.16 Accouplement flexible 40
Figure 2.17 Plaque de fixation du moteur 40
Figure 2.18 La base de la machine 41
Figure 2.19 Schéma cinématique de la machine 42
Figure 2.20 La machine 42
Figure 3.1 Représentation de la poutre 45
Figure 3.2 Maillage et les Conditions aux limites 48
Figure 3.3 Distribution de contrainte 48
Figure 3.4 Distribution de déplacement 48
Figure 3.5 Sollicitation de la plaque de fixation 49
Figure 3.6 Sollicitation de la plaque de guidage 49
Figure 3.7 Sollicitation de la tige de guidage 50
Figure 3.8 Modélisation de la vis 51
Figure 3.9 Sollicitation de la vis 52
Figure 3.10 Distribution du facteur de sécurité 57
Figure 3.11 Distribution de l’endommagement 58
Figure 4.1 Gamme d’usinage de la plaque de fixation 62
Figure 4.2 Gamme d’usinage de la bague 63
Figure 4.3 Gamme d’usinage de l’éprouvette 64
Figure 4.4 Gamme d’usinage de la calle 65
Figure 4.5 Gamme d’usinage de l’entretoise 66
Figure 4.6 Gamme d’usinage de l’étau 67
Tableau 1.1 Les types de machine de test de fatigue 27
Tableau 2.1 Caractéristiques du moteur pas à pas disponible 32
Tableau 2.2 La disponible des éléments de la machine 41
Tableau 3.1 calcul de la fréquence de rotation en fonction de la fréquence du test 53
Tableau 3.2 Les paramètres de calcule des roulements 55
Tableau 3.3 Les valeurs de facteur de sécurité 57
Tableau 3.4 Quelques résultats du test de fatigue 58
Liste des symboles
CAO : Conception assisté par ordinateur
𝝈𝒂 : L’amplitude de la contrainte
𝝈𝒎 : La contrainte moyenne
∆𝝈 : La différence entre les contraintes
𝑹 : Le rapport entre la contrainte minimale et la contrainte maximale
𝗌 : La déformation
𝑹𝒆 : La limite élastique
𝑹𝒎 : La limite de rupture
𝑫 : Le dommage totale
𝑵 : Nombre de cycle
𝑷 : Probabilité de rupture
𝑵𝑹 : Nombre de cycle à la rupture
𝝈𝑫 : Limite d’endurance
𝑳𝒄 : longueur calibré
𝑳𝟎 : longueur utile
𝑺𝟎 : Surface utile
𝒌 : Coefficient de proportionnalité
𝒓 : Rayon de courbure d’éprouvette
𝝈𝒏 : La contrainte normale dans la section fissurée
𝑼𝑮𝑽 : Longueur utile de l’éprouvette
𝒅𝒓 : Diamètre de l’arbre de moteur
𝒅𝒗𝒊𝒔 : Diamètre de la vis
𝑴𝒇 : Le moment fléchissant
𝒚 : La distance d’autre fibres à la fibre neutre
𝑯 : L’épaisseur de l’éprouvette
𝑩 : La larguer de l’éprouvette
𝑰 : Le moment quadratique de l’éprouvette
𝒁𝟎 : La flèche
𝑭 : La force appliqué sur l’éprouvette
𝝈𝒎𝒂𝒙 : La contrainte maximale appliqué
𝒚𝒎𝒂𝒙 : Le déplacement maximale de la pièce
𝒇 : La force de frottement de la tige avec coussinet
𝝁 : le coefficient de frottement
𝑻 : Effort tranchant
𝝈𝒇 : Contrainte de flexion
𝝈𝒕 : Contrainte de torsion
𝑴𝒕 : Moment de torsion
𝑰𝟎 : Moment de polaire
𝑭𝒔 : Coefficient de sécurité
𝒇𝒕 : Fréquence du test
𝑵 : Fréquence de rotation
𝑽𝒙 : Vitesse axiale
𝑻 : Le tour
𝑵𝒑𝒂𝒔 : Nombre de pas du moteur
𝑷𝒂𝒔 : Le pas du vis
𝒅𝒊𝒔 : Distance axiale
𝒄 : La course du vis
𝒏 : Nombre du tour du vis
𝑳𝟏𝟎 : Duré de vie nominale
𝑳𝟏𝟎𝒉 : Duré de vie nominale en heurs
𝑪𝟎 : Charge statique du base
𝑪 : Charge dynamique du base
𝑷𝒖 : Charge dynamique équivalente
𝒆, 𝑿, 𝒀 : Paramètres fournis par SKF
𝑭𝒓 : Force radiale
𝑭𝒂 : Force axiale
𝒂𝑵 : Accélération normal
𝑬𝑵𝑫 : L’endommagement
𝑬𝗌 : Énergie de déformation
Bibliographie
• Fatigue d’une sollicitation
http://campus.cerimes.fr/odontologie,site bibliographique consulter le 18 mai 2021
• Fatigue
https://fr.wikipedia.org/wiki/, site bibliographique consulter le 18 mai 2021
• Test d’endurance des essais pour apprécier espérance de vie des pièces https://blog.filab.fr/2013/06/, site bibliographique consulter le 18 mai 2021
• Courbe de Wöhler
https://fr.wikipedia.org/wiki, site bibliographique consulter le 19 mai 2021
• Secteurs d’activité/test de matériau essai de matériau/essai de fatigue/courbe de Wöhler https://www.zwickroell.com/fr/, site bibliographique consulter le 19 mai 2021
• H.J. Gough and H.V. Pollard, The strength of metals under combined alternating stresses, Proc. Inst. Mech. Engrs., 131, pp. 3-103, 1935.
• RABBE, P., LIEURADE, H. P., GALTIER, A. Essais de fatigue, partie 1. M4170, Traité Matériaux métalliques.
• A.-F. GOURGUES-LORENZON, (2006) Comportement, endommagement et rupture par fatigue thèse d’Amine Bennani, soutenue à l’École des Mines de Paris.P38.
• Éprouvette.
https://fr.wikipedia.org/wiki/, site bibliographique consulter le 21 mai 2021
• Essais mécanique sur les métaux et alliages.
https://www.techniques-ingenieur.fr/, site bibliographique consulter le 23 mai 2021
• LAMPA centre Angers – Arts et métiers Paris Tech, 49035, Angers Cedex, France P 02.
• BATHIAS, C., PINEAU, A. Fatigue des matériaux et des structures, vol.1. Introduction, endurance, amorçage et propagation des fissures, fatigue oligocyclique. P294.
• BERCHEM, K., HOCKING, M.G., (2006). A simple plane bending fatigue and corrosion fatigue testing machine, measurement science and technology p. 60-66.
• Calcul durée de vie de roulement
https://www.h7g6.fr/data/article/29/, site bibliographique consulter le 28 juillet 2021
• Gamme d’usinage
https://fr.wikipedia.org/wiki/Gamme usinage, site bibliographique consulter le 23 Septembre 2021