La corrélation d’images numériques (DIC) pour l’analyse vibratoire

• Par Floriane Soulas, Ingénieure R&D chez EikoSim

La corrélation d’images numériques (ou DIC) est bien connue pour ses applications statiques, mais dans les bonnes circonstances, elle est également applicable aux essais de dynamique vibratoire. Voici un exemple industriel chez Safran.

Dans le cadre de la mise au point de vérins toujours plus performants, Safran Landing Systems (SLS) doit s’assurer de l’intégrité de ses systèmes lors de leurs mises en service. Dans cette optique, l’essai que nous abordons dans cet article est dédié aux essais dit de « vibration vérin » (fig. 1).

Des essais de vibration sur un vérin hydro-mécanique ont été réalisés avec un suivi par stéréo-corrélation d’images. Le but de ces essais est de réaliser un suivi en temps réel des sollicitations préconisées par la norme correspondante, cela de manière à s’assurer des performances de la structure tout en garantissant la sécurité des passagers. L’objectif est de quantifier les déplacements imposés par le pot vibrant par stéréo-corrélation. Des essais de vibration sur deux axes et deux modes de résonnances sont réalisés sur un vérin sous pression afin de mesurer la flèche maximale de la structure, et de s’assurer de la validité du modèle numérique correspondant. En effet, de tels essais coutent chers et les niveaux préconisés par les normes de validations sont sévères et peuvent occasionner des dommages sur les structures testées lorsque celles-ci sont amenées à rupture.

Suivi du comportement vibratoire par stéréo-DIC

Suivant les indications de la figure 1, paire de caméras haute vitesse (1000 images/secondes, 2048×2048 pixels) a donc été positionnée en vis-à-vis du vérin en cours d’essai (cf Fig. 1). Grâce à EikoTwin DIC, il est désormais possible d’effectuer la mesure directement sur le modèle d’éléments finis (FE) fourni par la simulation et de comparer directement les résultats de la mesure et de la simulation vibratoire avec ce modèle. Le modèle éléments finis de la structure étant extrêmement complexe et raffiné, une version allégée, centrée autour de la zone d’intérêt à été redécoupée. La flèche maximale attendue se trouve en effet sur le haut du cylindre principal (en rouge sur la Fig. 2) Une zone d’étude réduite (Fig. 3) a donc été déterminée, c’est sur cette zone que l’analyse et la comparaison ont été effectuées lors de l’étude.

Les essais de vibrations étant très long (plusieurs dizaines de minutes) et les caméras rapides ne pouvant enregistrer que quelques secondes, trois enregistrements ont été réalisés pour chaque axe et chaque mode propre en début, milieu et fin de vibration respectivement.

Cependant, en dépit des grandes amplitudes de déplacements subies par la structure au cours de sa mise en vibration, EikoTwin DIC est en mesure de capter la totalité de la cinématique des modes vibratoires de la structure et d’exprimer la mesure directement sur le maillage éléments finis de la pièce. EikoTwin a ainsi permis d’observer pour la première fois le déplacement mais aussi le comportement global du vérin lors de sa mise en sollicitations. Les informations récoltées ont permis la mise à jour de leur modèle numérique prédictif.

Il a été noté qu’au cours de l’essai, les fréquences des modes propres ont glissé et se sont avérés différentes de celles prédites par la simulation. Cela pourra avoir un impact sur les amplitudes des déplacement obtenus et donc sur la comparaison calcul/essais, qui devra prendre en compte ce paramètre.

Résultats et perspectives

On projette ainsi les déplacements mesurés directement sur le modèle éléments finis fournis par SLS, comme le montre la Fig. 4. La courbe sinusoïdale du mode vibratoire est bien captée par le système de DIC. La mesure a permis de montrer que les champs de déplacement obtenus lors de la mise en vibration du vérin sont homogènes et cohérents avec les prédictions du modèle numérique.

De plus, grâce à l’affichage des mesures directement sur le modèle EF, il est possible d’aller chercher la valeur de déplacement précise à l’endroit souhaitée. On peut ainsi récupérer la valeur maximale de la flèche à la position prédite par la simulation et vérifier si cette dernière prévoyait bien la bonne valeur et la bonne position.

Il est possible de comparer les déplacements obtenus au point d’intérêt avec les prédictions de la simulation. Les résultats sont rassemblés dans les tableaux 1 et 2, pour les axes 1 et 2 respectivement. On peut voir que lors de la première prise d’images, les déplacements obtenus sont proches de ceux obtenus par simulation. La fréquence et l’amplitude montre une diminution au cours de l’essai (prise d’images « au milieu ») suivi d’une remontée de l’amplitude sur la fin du cycle de vibration, qui se retrouve pour les deux axes.

Axe 1 (mm) à f1	Attendu : 4,24 mm (à f1)
Début (f = f1)	Milieu (f< f1)	Fin  (f< f1)
4,00	2,57	3,77

Axe 2 (mm) à f2	Attendu : 3,73 mm (à f2)
Début (f< f2)	Milieu  (f< f2)	Fin  (f< f2)
3,7	3,0	3,3

Enfin, sur cet essai, la corrélation d’images n’a pas seulement servi à faire des mesures de déplacement. En effet, la mesure a permis de mettre en avant un comportement inattendu lors de l’acquisition des modes propres. Une rotation d’une partie du vérin a été mise en évidence qui n’avait pas été prédite par le modèle numérique, comme le montre la Fig. 5. Ce comportement peut avoir plusieurs origines mais n’était pas visible à l’œil nu lors de la mise en vibration de la structure. Les images réalisées par les caméras rapides ont permis de mettre au jour cette rotation de la structure et ainsi d’apporter des informations qualitatives importantes sur l’assemblage du vérin, et qui aurait pu passer inaperçu même après les essais.

Conclusion

En conclusion, la mesure DIC réalisée a montré des champs de déplacement obtenus lors des modes propres homogènes et cohérents avec les prédictions de la simulation numérique du comportement vibratoire.

L’essai a également permis de mettre en avant un comportement inattendu durant l’essai. Contrairement à ce qui avait été prédit par le modèle numérique, le vérin semble subir une rotation de son cylindre central, au cours de la mise en vibration. Cette rotation très fine a été captée par les caméras rapides mais aurait pu passer inaperçu, car invisible à l’œil nu. La mise en évidence de ce comportement apporte des informations importantes pour les ingénieurs d’essais sur l’assemblage de la structure et son comportement en service.

Des données d’essais ont été récoltées dans cette zone pour la première fois. Ces essais sont encourageants et fournissent des résultats, qualitatifs et quantitatifs dans des zones d’études préalablement jamais mesurées, permettant d’enrichir et d’optimiser leur modèle numérique afin de pouvoir l’utiliser à l’avenir dans leurs procédés de validation des structures de type vérins hydro-mécanique.