DIC Haute Vitesse pour l’Analyse Dynamique de l’Ouverture de Planche de Bord lors du Déploiement d’Airbag

Cet article met en avant une mesure de DIC haute vitesse pour la mesure du déploiement d’airbags.

La sécurité des passagers est une priorité absolue dans l’industrie automobile. Lors d’une collision, le déploiement de l’airbag doit être rapide et efficace pour protéger les occupants du véhicule. Cependant, ce processus ultra-rapide est directement influencé par la structure et les matériaux de la planche de bord. La peau du tableau de bord se déforme et finit par se déchirer le long des lignes de faiblesse prédéfinies, libérant ainsi l’airbag.

Malgré les avancées en simulation numérique, la prédiction précise du comportement mécanique de la peau reste un défi. Il est essentiel de garantir que la rupture se produira au bon endroit et au bon moment, tout en validant les modèles numériques et en optimisant les matériaux utilisés. Pour répondre à ces enjeux, la solution EikoTwin DIC, basée sur la corrélation d’images numériques (DIC) haute vitesse, a été utilisée chez Forvia pour capturer et analyser les déformations et vitesses de déformation de la peau de la planche de bord. Cette étude vise à améliorer la compréhension des mécanismes en jeu, d’étudier la définition d’un essai sous système représentatif et à affiner les modèles de simulation pour optimiser la conception des tableaux de bord et assurer leur conformité aux exigences de sécurité.

Contexte et enjeux industriels

🎯 Pourquoi étudier l’ouverture de la planche de bord est crucial ?

• L’impact en sécurité automobile : afin de garantir un déploiement maitrisé en termes d’ouverture de la peau auto sécable, des efforts d’ouverture et de l’absence de projections tout en réduisant le besoin d’essais de déploiement Airbag.
• Même si les airbags ne sont pas directement une contrainte réglementaire et normative, ils n’en restent pas moins un équipement qui s’est généralisé depuis les années 1990 et qui permet de répondre aux normes de sécurité et aux crash-tests indépendants comme ceux de l’EuroNCAP
• Amélioration des modèles de simulation numérique est aussi une nécessité afin d’obtenir un modèle complet prédictif et  réduire le recours aux essais physiques coûteux.
• Établir de nouvelles méthodologies expérimentales pour qualifier les matériaux à partir des résultats de mesure DIC.

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Comprendre le phénomène d’ouverture de la planche de bord

Lors du déclenchement de l’airbag, une pression importante et rapide est exercée dans la planche de bord, induisant une déformation plastique significative au niveau des volets Airbag et notamment au niveau de leur zone d’ouverture et la propagation d’une rupture le long de l’ouverture dans le complexe auto-sécable de la peau. L’ouverture résultante, intrinsèquement liée au design et à la conception du tableau de bord, demeure un phénomène dont la cinématique et la physique précise sont difficiles à prédire. Par conséquent, des essais variés, explorant différentes configurations et conditions (notamment de température), s’avèrent indispensables pour une compréhension exhaustive du processus.

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Objectifs de l’étude

Les essais entrepris sur la peau de la planche de bord ont pour objectif de caractériser précisément son comportement mécanique lors du déploiement d’un airbag, en particulier dans des environnements aux températures extrêmes, allant du très froid au très chaud. Les principales mesures effectuées lors de ces essais comprennent le calcul des déplacements afin de quantifier l’ampleur de la déformation, l’identification des zones de déformation maximale où la peau subit des contraintes extrêmes avant rupture, l’étude des gradients de déformation autour des lignes d’ouverture, et enfin, la quantification de la vitesse de déformation dans les zones critiques pour évaluer la rapidité du phénomène.

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L’apport d’EikoTwin DIC : une corrélation d’images au service de la compréhension du comportement matériau

Le logiciel EikoTwin DIC a été utilisé pour l’analyse des essais. Il a permis la mesure précise des champs de déplacements et de déformations, une fonctionnalité essentielle car elle s’effectue en alignement avec le maillage éléments finis. Grâce à cette précision, il devient possible d’identifier avec une grande exactitude les zones critiques de contraintes et de déformations, contribuant à une meilleure compréhension du comportement dynamique de la planche de bord durant le déploiement de l’airbag. De plus, le logiciel a facilité l’identification des zones critiques par l’étude des gradients de déformation et a permis le suivi des vitesses de déformation, un facteur déterminant pour l’analyse des conditions de rupture. Enfin, le logiciel offre la possibilité d’exporter les résultats sous diverses formes, notamment des courbes de déformation et des fichiers H3D.

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Méthode de mesure : la stéréo-corrélation d’images numériques (DIC) haute vitesse

La virtualisation facilite également la sélection et l’installation des équipements en permettant de définir précisément en amont la liste du matériel et des accessoires nécessaires. Enfin, elle permet d’anticiper et de gérer les obstructions potentielles et d’optimiser la visibilité en simulant la dynamique du test, incluant le déploiement rapide de l’airbag et l’occultation progressive du champ de vision, et en adaptant le positionnement des caméras en conséquence. Grâce à cette préparation virtuelle complète, le déploiement sur banc d’essai s’en trouve fluidifié et accéléré, la configuration initiale étant directement opérationnelle dès l’installation physique, limitant ainsi les temps morts autour de la machine d’essai.

Les conditions d’acquisition ont été rigoureusement définies pour capturer la dynamique ultra-rapide du déploiement de l’airbag. Une fréquence d’acquisition très élevée, de l’ordre de plusieurs milliers d’images par seconde, a été employée pour suivre avec précision l’ouverture. Des caméras Phantom T4040 (jusqu’à 9350 images par seconde à une résolution maximale de 4,2 Mpx) ont été choisies afin de maximiser les informations obtenues. Afin de garantir la netteté des images et d’éviter le flou de mouvement, une vitesse d’obturation rapide, de quelques dizaines de microsecondes, a été sélectionnée. La profondeur de champ a été ajustée de manière à maintenir la surface de la planche de bord nette tout au long de l’essai, une vérification ayant été effectuée en amont et lors de la mise en place expérimentale. Enfin, la visibilité de l’ouverture a été optimisée au maximum, en anticipant l’obstruction progressive du champ de vision par l’airbag grâce à des données issues de tests précédents, et en ajustant le positionnement des caméras afin de maximiser la couverture de la zone d’intérêt durant toute la durée de l’essai.

Pour la préparation des pièces en vue des mesures, un mouchetis aléatoire a été appliqué sur leur surface. Ce mouchetis a été réalisé à l’aide d’une bombe de peinture et d’une grille, permettant d’obtenir des tâches d’une taille d’environ 1 mm. Il est souligné qu’une application particulièrement soignée du mouchetis est essentielle pour garantir la précision des mesures obtenues par la méthode de corrélation d’images numériques.

Un traitement spécifique du mouchetis a été mis en place pour les essais réalisés à températures extrêmes, notamment basses. Une étude dédiée a permis de définir une méthode d’application du mouchetis garantissant sa résistance à ces conditions et assurant la qualité des mesures tout au long des essais. En particulier, pour les pièces testées à -30°C, une couche de graisse noire a été appliquée avant la projection de la peinture. Ce protocole s’est avéré crucial pour éviter l’écaillement de la peinture sous l’effet des fortes déformations à basse température, phénomène qui, sans cette précaution, aurait compromis la fiabilité des mesures DIC haute vitesse en zone de déformation maximale avant rupture (figure). L’utilisation de ce fond de graisse a permis de maintenir la convergence des calculs DIC jusqu’à la rupture, même dans les zones fortement sollicitées, avec de faibles résidus de corrélation, témoignant d’un suivi de motif de haute qualité (figure). Inversement, l’absence de graisse entraînait des résidus de corrélation plus élevés, indiquant une perte de précision. L’application de peinture blanche directement sur la surface préparée avec la graisse, en limitant la quantité projetée, a permis d’optimiser l’adhérence et la durabilité du mouchetis, même dans les conditions sévères des essais à basse température et sous l’impact du déploiement de l’airbag.

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Phases d’ouverture de l’Airbag

L’ouverture de la planche de bord lors du déploiement de l’airbag se déroule en quatre étapes clés, illustrées sur la figure correspondante. 1. État initial : avant le déclenchement, la planche de bord est intacte et en position statique. 2. Déformation de la peau : l’activation de l’airbag initie une phase de déformation progressive du matériau sous l’effet de la pression. 3. Rupture de la peau : la peau cède le long des lignes de faiblesse prédéfinies, amorçant l’ouverture. 4. Propagation de la rupture : l’ouverture s’étend rapidement sous l’effet de la montée en pression de l’airbag, complétant le processus de déploiement.

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Résultats de mesure de DIC haute vitesse : Déplacements et Déformations

Les mesures de déformation ont révélé des déformations maximales atteignant jusqu’à 150% dans certaines zones critiques, ce qui a permis une caractérisation précise du matériau jusqu’à la rupture. Des différences notables ont été observées en fonction du type de peau de planche de bord. L’influence de la température s’est également avérée significative. À température élevée (+85°C), la déformation maximale s’est accrue, indiquant un comportement plus ductile du matériau. Inversement, à basse température (-30°C), la déformation maximale a été plus faible et la rupture plus brutale.

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Vitesse de déformation et déformations maximales

Un des objectifs principaux de cette étude était de localiser les zones de concentration de contrainte et de quantifier la vitesse de déformation maximale au sein de ces zones critiques. Grâce au logiciel EikoTwin DIC, il a été possible de localiser précisément ces zones, de mesurer la déformation maximale juste avant la rupture avec une incertitude moyenne de 1.5 × 10⁻⁴, et de suivre la vitesse de déformation maximale.. De plus, la DIC haute vitesse a permis de comparer l’influence des températures sur le comportement mécanique de la peau de la planche de bord, et de garantir une haute précision des mesures, avec une incertitude sur les déplacements inférieure à 1.5 µm.

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Conclusions

En conclusion, cette étude a apporté un éclairage approfondi sur les mécanismes complexes régissant l’ouverture d’une planche de bord lors du déploiement d’un airbag. Grâce à l’acquisition d’images à haute vitesse et à l’analyse des mesures obtenues, il a été possible de localiser avec précision les zones critiques de concentration de contrainte, de quantifier les niveaux de déformation significatifs et de suivre la dynamique des vitesses de déformation, tout en intégrant une évaluation rigoureuse des incertitudes de mesure. De plus, cette recherche a permis une validation rapide, dès les phases initiales du projet, des conditions réelles de sollicitation des matériaux. Cette validation s’est avérée déterminante pour orienter Forvia, un acteur majeur de l’industrie automobile, dans la définition de campagnes de mesure ciblées des propriétés des matériaux. Enfin, l’importance de la préparation minutieuse des essais a été confirmée, l’optimisation du positionnement des capteurs et la garantie de la répétabilité des mesures ayant joué un rôle essentiel dans le succès de cette étude. Les résultats obtenus constituent ainsi des éléments précieux pour la compréhension accrue des conditions de sollicitation des matériaux, contribuant de manière significative aux efforts de développement et d’optimisation des structures automobiles.

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Informations : contact {AT} eikosim.com