FR2541770A1

FR2541770A1 - ELECTROMAGNETIC AND RESONANT FORCE GENERATOR FOR FATIGUE TESTING AND FATIGUE CRACKING OF MATERIALS

Info

Publication number: FR2541770A1
Application number: FR8303376A
Authority: FR
Inventors: Ivan Launay
Original assignee: Ecole National Superieure dArts et Metiers ENSAM
Current assignee: Ecole National Superieure dArts et Metiers ENSAM
Priority date: 1983-02-25
Filing date: 1983-02-25
Publication date: 1984-08-31
Also published as: FR2541770B1; EP0137026A1; WO1984003356A1

Abstract

LE DISPOSITIF OBJET DE L'INVENTION COMPORTE PLUSIEURS MASSELOTTES VIBRANT EN ROTATION. CES MASSELOTTES SONT D'UNE PART GUIDEES ET D'AUTRE PART ENTRAINEES DANS CE MOUVEMENT DE ROTATION PAR DES LAMES ELASTIQUES 7, 8, QUI LES RELIENT D'UNE PART AU BATI DE LA MACHINE ET D'AUTRE PART A L'ORGANE 3 VIBRANT EN TRANSLATION QUI TRANSMET SON MOUVEMENT A L'EXTREMITE MOBILE DE L'EPROUVETTE EN COURS D'ESSAI. LES MASSELOTTES ET LAMES ELASTIQUES SONT DISPOSEES DE TELLE MANIERE QUE CETTE EXTREMITE MOBILE DE L'EPROUVETTE SOIT CORRECTEMENT GUIDEE DANS SON MOUVEMENT DE TRANSLATION, QUE LE SYSTEME ELASTIQUE ET INERTIEL AINSI CONSTITUE SOIT DYNAMIQUEMENT EQUILIBRE, ET QUE LA MASSE DE CE SYSTEME SOIT TRES INFERIEURE A CELLE D'UNE MASSELOTTE UNIQUE DIRECTEMENT RELIEE A L'EXTREMITE MOBILE DE L'EPROUVETTE ET VIBRANT EN TRANSLATION, POUR DES CONDITIONS D'UTILISATION COMPARABLES.THE DEVICE WHICH IS THE SUBJECT OF THE INVENTION INCLUDES SEVERAL VIBRATING MASSELOTTES IN ROTATION. THESE MASSELOTTES ARE ON THE ONE HAND GUIDED AND ON THE OTHER HAND DRIVEN IN THIS ROTATION MOVEMENT BY ELASTIC BLADES 7, 8, WHICH CONNECT THEM ON THE ONE HAND TO THE MACHINE FRAME AND ON THE OTHER HAND TO THE VIBRATING BODY 3 IN TRANSLATION WHICH TRANSMITS ITS MOVEMENT TO THE MOBILE END OF THE TEST UNDER TEST. THE MASSELOTTES AND ELASTIC BLADES ARE ARRANGED IN SUCH A WAY THAT THIS MOVABLE END OF THE TEST IS CORRECTLY GUIDED IN ITS TRANSLATION MOVEMENT, THAT THE ELASTIC AND INERTIAL SYSTEM THUS CONSTITUTES IS DYNAMICALLY BALANCED BY THIS, AND THAT THE MASS IS VERY LESS THAN THAT IS. THAT OF A SINGLE MASSELOTTE DIRECTLY CONNECTED TO THE MOBILE END OF THE TEST AND VIBRATING IN TRANSLATION, FOR COMPARABLE CONDITIONS OF USE.

Description

I1 est fait usage, pour les essais de fatigue ou de fissuration des matériaux, de machines comportant un générateur de force ou de déplacement. Ces grandeurs sont le plus souvent des fqnctions sinu soidales du temps. Les machines d'essais peuvent etre hydrauliques ou électro-mécaniques. Dans ce second cas, le générateur périodique de force ou de déplacement fonctionne en résonance, ce qui permet une importante économie d'énergie par rapport aux machines hydrauliques. For the fatigue or cracking tests of materials, use is made of machines comprising a force or displacement generator. These quantities are most often of the sinus functions of time. The testing machines can be hydraulic or electro-mechanical. In this second case, the periodic force or displacement generator operates in resonance, which allows significant energy savings compared to hydraulic machines.

Dans les réalisations actuelles des machines électromécaniques résonnantes d'essais de fatigue et de fissuration des matériaux, ltéprou- vette présente deux points de fixation : L'un est relié au bâti de la machine, par l'intermédiaire ou non d'un capteur de force, et l'autre est relié à une masse mobile dans la direction déterminée par ces deux points de fixation. Cette masse mobile est reliée au bâti de la machine par un ressort, et reçoit une force périodique d'entretien de la vibration d'un électro-aimant ou d'une bobine mobile dans un champ magnétique. Le point d'attache du ressort au bâti est réglable sur la trajectoire définie par les deux points de fixation de l'éprouvette, en en vue de superposer un chargement statique au chargement dynamique de ltéprouvette. In the current embodiments of resonant electromechanical machines for testing fatigue and cracking of materials, the test piece has two fixing points: One is connected to the frame of the machine, whether or not via a force, and the other is connected to a moving mass in the direction determined by these two attachment points. This moving mass is connected to the machine frame by a spring, and receives a periodic force to maintain the vibration of an electromagnet or a moving coil in a magnetic field. The point of attachment of the spring to the frame is adjustable on the path defined by the two fixing points of the test piece, with a view to superimposing a static load on the dynamic loading of the test piece.

La raideur de l'éprouvette, dans la direction définie par ses deux points de fixation, intervient donc directement dans la fréquence de fonctionnement de la machine, puisque celle-ci correspond à la premiere fréquence propre du système mécanique constitué par l'éprouvette, la masse mobile, le ressort, le bâti, les éléments de liaison du bâti au sol ou au massif de fondation sur lequel la machine est placée.The stiffness of the specimen, in the direction defined by its two fixing points, therefore intervenes directly in the operating frequency of the machine, since this corresponds to the first natural frequency of the mechanical system constituted by the specimen, the moving mass, the spring, the frame, the elements for connecting the frame to the ground or to the foundation block on which the machine is placed.

Les fréquences habituelles utilisées pour les essais, qui stéchelon- nent de quelques dizaines à quelques centaines de cycles par seconde, exigent alors des masses mobiles de plusieurs centaines de kilogrammes, et des bâtis et massifs de fondation lourds, encombrants et coûteux.The usual frequencies used for the tests, which range from a few tens to a few hundred cycles per second, then require moving masses of several hundred kilograms, and heavy, bulky and expensive foundations and foundations.

-?ar ailleurs, sur ces machines, le bâti est affecté d'une vibration dont l'amplitude est d'autant plus grande que l'on cherche à alléger ce bâti. I1 en résulte une nuisance acoustique inacceptable sans une insonorisation coûteuse du local. -? ar elsewhere, on these machines, the frame is affected by a vibration whose amplitude is all the greater as one seeks to lighten this frame. This results in unacceptable noise pollution without costly soundproofing of the premises.

ta présente invention concerne un dispositif générateur périodique de force ou de déplacement, électromagnétique et résonnant, utilisable en particulier pour les machines d'essais de fatigue et de fissuration des matériaux, et dynamiquement équilibré, -et qui ne fait pas intervenir dans son fonctionnement la masse du bâti de la machine, lequel bâti ne subit aucune vibration. -Le dispositif selon l'invention permet en outre de diminuer le poids et l'encombrement des masses mobiles, pour une raideur d'éprouvette et une fréquence de fonctionnement données. Ce dispositif permet également de diminuer le coût de fabrication des lames élastiques constituant le ressort mentionné ci-dessus.your present invention relates to a periodic force or displacement generator device, electromagnetic and resonant, usable in particular for machines for testing fatigue and cracking of materials, and dynamically balanced, and which does not involve in its operation the mass of the machine frame, which frame is not subjected to any vibration. The device according to the invention also makes it possible to reduce the weight and the bulk of the moving masses, for a stiffness of test piece and a given operating frequency. This device also makes it possible to reduce the cost of manufacturing the elastic blades constituting the spring mentioned above.

Dans le dispositif générateur de force ou de déplacement, objet de la présente invention, la masse intervenant dans le système mécanique vibratoire résonnant est dissocie en plusieurs éléments, dénommés ci-après masselottes, dont l'ensemble présente une symétrie géométrique et cinématique telle que la résultante et le moment résultant des forces d'inertie sur l'ensemble des masselottes soient nuls. De plus, dans la présente invention, les amplitudes de déplacement des parties les plus massives des masselottes sont supérieures à l'amplitude du déplacement du point mobile de fixation de l'éprouvette.La -masse totale nécessaire es masselottes est alors inférieure a la masse unique qui, fixée directement en extrémité d'éprouvette, serait nécessaire pour l'entretien de la vibration à la fréquence voulue et pour une même raideur de l'éprouvette.In the force or displacement generating device which is the subject of the present invention, the mass involved in the resonant mechanical vibrating system is dissociated into several elements, hereinafter called counterweights, all of which have a geometric and kinematic symmetry such as the resulting and the moment resulting from the forces of inertia on the set of the weights are zero. In addition, in the present invention, the amplitudes of displacement of the most massive parts of the counterweights are greater than the amplitude of the displacement of the movable point of attachment of the test piece. The total mass required is counterweights is then less than the mass single which, fixed directly at the end of the test piece, would be necessary for the maintenance of the vibration at the desired frequency and for the same stiffness of the test piece.

Dans le mode de réalisation représenté en figure 1, l'un des points de fixation de l'éprouvette I est lié à un plateau mobile 3 qui vibre en translation dans la direction indiquée par les flèches 49 suivant la trajectoire rectiligne définie par les deux points de fixation de l'éprouvette. Cette liaison peut être fixe ou réglable suivant cette même trajectoireS en vue de superposer un chargement statique au chargement dynamique de l'éprouvette.In the embodiment shown in FIG. 1, one of the fixing points of the test piece I is linked to a movable plate 3 which vibrates in translation in the direction indicated by the arrows 49 along the rectilinear trajectory defined by the two points fixing the test piece. This connection can be fixed or adjustable along this same trajectory in order to superimpose a static loading on the dynamic loading of the test piece.

te plateau mobile est guidé par des éléments de suspensionS au nombre de trois au minimum. Dans la figure 1, on a représenté deux de ces éléments de suspensionS disposés symétriquement par rapport à l'axe 5 défini par les deux points de fixation de 1'éprouvette, lequel axe sera nommé ci-aprés axe de l'éprouvette. Chacun de ces éléments de suspension comprend deux lames élastiques 6 et 7 et une masselotte 8.The movable platform is guided by at least three suspension elements. In Figure 1, there are shown two of these suspension elementsS arranged symmetrically with respect to the axis 5 defined by the two fixing points of the specimen, which axis will be referred to below as the axis of the specimen. Each of these suspension elements comprises two elastic blades 6 and 7 and a counterweight 8.

La lame élastique 6 est reliée, par une- de ses extrémités9 au plateau mobile 3, et, par l'autre extrémitéS a la masselotte 8. L'autre lame élastique 7 est reliée9 par une de ses extrémitéS à la masselotte 8, et, par l'autre extrémité, à un support 9 qui peut être fixé au bâti de la machine, ou qui peut être réglable en translation suivant la direction de l'axe de l'éprouvette.The elastic blade 6 is connected, by one- of its ends9 to the movable plate 3, and, by the other endS to the counterweight 8. The other elastic blade 7 is connected9 by one of its endsS to the counterweight 8, and, by the other end, to a support 9 which can be fixed to the frame of the machine, or which can be adjustable in translation along the direction of the axis of the test piece.

Dans le mode de réalisation représenté à la figure 2 les éléments de suspension, au nombre de quatre, sont identiques et disposés de façon symétrique par rapport à l'axe de l'éprouvette. Dans ce même mode de réalisation, chaque lame élastique a une forme générale plane et un contour rectangulaire, et l'un des axes de ce rectangle est parallèle å l'axe de l'éprouvette Les deux chants c et d de la lame élastique 6 proche de l'axe de l'éprouvette sont libres. Le chant e de la même lame est encastré dans le plateau mobile 3, et le chant f de la même lame est encastré dans la masselotte 8. In the embodiment shown in Figure 2 the suspension elements, four in number, are identical and arranged symmetrically with respect to the axis of the test piece. In this same embodiment, each elastic blade has a generally planar shape and a rectangular outline, and one of the axes of this rectangle is parallel to the axis of the test tube. The two edges c and d of the elastic blade 6 close to the axis of the specimen are free. The edge e of the same blade is embedded in the movable plate 3, and the edge f of the same blade is embedded in the counterweight 8.

Les deux chants g et h de la lame 7 éloignée de l'axe de l'éprouvette sont libres. Le chant i de cette lame est encastré dans la masselotte 8 et le chant j de la même lame est encastré dans le support 9. Les deux lames du même élément de suspension sont disposées parallèlexent, l'une en face de l'autre, et sont donc reliées entre elles par la masselotte de cet élément de suspension.Les centres géométriques des rectangles des deux lames d'un même élément de suspension, et le centre de gravité de la masselotte du même élément de suspension sont situés sur une même -perpendiculaire à l'axe de l'éprouvette. il en résulte que le centre de gravité de cette masselotte se déplace en première approximation et pour les petits mouvements, parallèlement à cet axe. ta projection, sur la perpendiculaire aux plans des deux lames d'un même élément de sur pension, de la résultante des forces d'inertie sur la masselotte est donc nulle en première approximation. Les lames sont donc sollicitées en flexion et en traction-compression, avec un effort tranchant négligeable.Les déformées des fibres neutres de ces lames restent donc sensiblement circulaires et chaque lame peut alors être considérée, du point de vue cinématique, pour les petits mouvements, comme une articulation autour de celui des deux axes du rectangle délimitant cette lame qui est perpendiculaire à l'axe de l'éprouvette. La figure 3 met en évidence, en les amplifiant, les déformations des lames et les déplacements concomitants du plateau mobile et des masselottes.The two edges g and h of the blade 7 distant from the axis of the test piece are free. The edge i of this blade is embedded in the counterweight 8 and the edge j of the same blade is embedded in the support 9. The two blades of the same suspension element are arranged parallel, one opposite the other, and are therefore interconnected by the counterweight of this suspension element. The geometric centers of the rectangles of the two blades of the same suspension member, and the center of gravity of the counterweight of the same suspension member are located on the same perpendicular to the axis of the test tube. as a result, the center of gravity of this counterweight moves as a first approximation and for small movements, parallel to this axis. your projection, on the perpendicular to the planes of the two blades of the same over-board element, of the result of the inertial forces on the counterweight is therefore zero as a first approximation. The blades are therefore stressed in bending and in traction-compression, with negligible shearing force. The deformations of the neutral fibers of these blades therefore remain substantially circular and each blade can then be considered, from the kinematic point of view, for small movements, as an articulation around that of the two axes of the rectangle delimiting this blade which is perpendicular to the axis of the test piece. FIG. 3 highlights, by amplifying them, the deformations of the blades and the concomitant displacements of the movable plate and the counterweights.

Ainsi, le mouvement de translation du plateau mobile se traduit par un mouvement de chaque masselotte équivalent en première apprpximation a une rotation autour d'un axe fixe perpendiculaire a l'axe de l'Eprou- vette. Les formes, dimensions et dispositions relåtives des masselottes sont telles que le moment resultant des forces d'inertn sur l'ensemble des masselottes soit nul. Dans le mode de réalisation représenté a la
figure 2, ce résultat est obtenu en disposant les quatre éléments de suspension, tous identiques, de façon symétrique par rapport à l'axe de l'éprouvette.Thus, the translational movement of the movable plate results in a movement of each counterweight equivalent at first approximation to a rotation about a fixed axis perpendicular to the axis of the specimen. The shapes, dimensions and relative arrangements of the weights are such that the moment resulting from the inertial forces on all of the weights is zero. In the embodiment shown in the
Figure 2, this result is obtained by arranging the four suspension elements, all identical, symmetrically with respect to the axis of the test piece.

Les formes, dimensions et dispositions relatives des masselottes sont également telles que le centre de gravité de l'ensemble inertiel constitué par les masselottes et le plateau mobile reste fixe, de manière à rendre nulle la résultante des forces d'inertie sur ces éléments mobiles. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 1, ce résultat est obtenu si l'on respecte la relation suivante:
a.m2 = bm1
m1 est la masse du plateau mobile.The shapes, dimensions and relative arrangements of the weights are also such that the center of gravity of the inertial assembly constituted by the weights and the movable plate remains fixed, so as to nullify the result of the inertial forces on these movable elements. In the embodiment shown in FIG. 1, this result is obtained if the following relation is respected:
a.m2 = bm1
m1 is the mass of the moving plate.

m2 est la masse totale des masselottes. m2 is the total mass of the flyweights.

a est la distance du centre de gravité G d'une masselotte au plan
médian de la lame la plus éloignée de l'axe de l'éprouvette.a is the distance from the center of gravity G of a counterweight to the plane
median of the blade farthest from the axis of the test piece.

b est la distance entre les plans médians des deux lames d'un
même élément de suspension.b is the distance between the median planes of the two blades of a
same suspension element.

ta nullité de la résultante et du moment résultant des forces d'inertie sur l'ensemble des masses mobiles se traduit par la nullité des forces dynamiques transmises au bâti et, en conséquence, par l'absence de vibration parasite de ce bâti.your nullity of the resultant and the moment resulting from the forces of inertia on the whole of the moving masses results in the nullity of the dynamic forces transmitted to the frame and, consequently, by the absence of parasitic vibration of this frame.

D'autre part, la matière constituant chaque masselotte est répartie de telle manière que le rayon de giration de cette masselotte par rapport à l'axe instantané de rotation de cette masselotte soit relativement grands comparé à la distance séparant les deux lames qui constituent, avec cette masselotte, un des éléments de suspension.On the other hand, the material constituting each counterweight is distributed in such a way that the radius of gyration of this counterweight relative to the instantaneous axis of rotation of this counterweight is relatively large compared to the distance separating the two blades which constitute, with this flyweight, one of the suspension elements.

Les courses des parties massives des masselottes sont donc grandes par rapport à la course du plateau mobile. L'application des théorèmes généraux de la mécanique rationnelle montre que, dans ces conditions, l'ensemble inertiel constitué par les masselottes peut être remplacé par une masse fictive unique liée au plateau mobile, cette masse fictive pouvant être plus grande que la masse totale des masselottes.The strokes of the massive parts of the counterweights are therefore large compared to the stroke of the movable plate. The application of general theorems of rational mechanics shows that, under these conditions, the inertial assembly constituted by the flyweights can be replaced by a single fictitious mass linked to the movable plate, this fictitious mass being able to be greater than the total mass of weights.

Cette masse fictive m peut être calculée en considérant le modèle simplifié représenté à la figure 4j équivalent pour le comportement inertiel, et valable en première approximation pour les petits déplacements: /b2
m2 est la masse totale des masselottes.This fictitious mass m can be calculated by considering the simplified model represented in figure 4j equivalent for inertial behavior, and valid as a first approximation for small displacements: / b2
m2 is the total mass of the flyweights.

r est le rayon de giration de chaque masselotte par rapport
à son axe instantané de rotation 0.r is the radius of gyration of each counterweight with respect to
to its instantaneous axis of rotation 0.

La possibilité de choisir le rapport r/b permet d'alléger considérablement les masses mobiles de la machine > par rapport aux machines conven
tonnelles et pour des fréquences de fonctionnement et raideurs
d'éprouvette égales.The possibility of choosing the r / b ratio makes it possible to considerably reduce the moving masses of the machine> compared to conventional machines
arbors and for operating frequencies and stiffnesses
equal test tubes.

D'autre part, dans le mode de réalisation- représenté à la figure 2,
l'ensemble élastique constitué par les éléments de suspension présente
une direction de raideur minimale, parallèlement à l'axe de léprou-
vette. Perpendiculairement à cet axe, les raideurs de ce système élas
tique sont considérablement plus grandes du fait de la forme plane et
rectangulaire donnée aux lames et de la disposition symétrique des
quatre éléments de suspension utilisés dans ce mode de réalisation.On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 2,
the elastic assembly constituted by the suspension elements present
a direction of minimum stiffness, parallel to the axis of the leprou-
vette. Perpendicular to this axis, the stiffness of this elastic system
ticks are considerably larger due to the flat shape and
rectangular given to the blades and the symmetrical arrangement of
four suspension elements used in this embodiment.

Cette caractéristique de raideur transversale élevée est acquise pour
tous les modes de réalisation comprenant au moins trois -éléments de -suspension, disposés dentelle sorte que les lames élastiques de ces
éléments de suspension ne soient pas toutes parallèles. Les raideurs
angulaires de l'ensemble élastique constitué par les éléments de suspension sont également très grandes, et ceci dans toutes les directions, ce qui permet de garantir la bonne qualité cinématique du guidage que constitue cet ensemble élastique, et, en conséquence, l'absence de sollicitations parasites induites dans l'éprouvette par des composantes parasites éventuelles du mouvement du plateau mobile.This characteristic of high transverse stiffness is acquired for
all the embodiments comprising at least three -suspension elements, arranged lace so that the elastic blades of these
not all suspension elements are parallel. Stiffness
angular of the elastic assembly constituted by the suspension elements are also very large, and this in all directions, which guarantees the good kinematic quality of the guidance that constitutes this elastic assembly, and, consequently, the absence of parasitic stresses induced in the test piece by possible parasitic components of the movement of the moving plate.

En plus de la fonction de guidage et de transformation du mouvement de translation du plateau mobile en mouvement de rotation des masse lottes, les lames élastiques des éléments de suspension interviennent pour transmettre t l'éprouvette un chargement statique éventuel. Cette multiplicité de fonctions est obtenue en utilisant des lames de forme simple, de faibles dimensionss et dont le coût de fabrication est très réduit, en comparaison avec les ressorts de formes complexes qui doivent être utilisés dans les machines conventionnelles.Dans le mode de réalisation représenté à la figure 1, l'électro-aimant 10 ou le générateur de force à bobine mobile assurant l'entretien des oscillations est placé dans l'espace compris entre les éléments de suspension, en vue de limiter l'encombrement de la machine.In addition to the function of guiding and transforming the translational movement of the movable plate into the rotary movement of the monkfish mass, the elastic blades of the suspension elements intervene to transmit to the specimen any static load. This multiplicity of functions is obtained by using blades of simple shape, of small dimensions and whose manufacturing cost is very reduced, in comparison with the springs of complex shapes which must be used in conventional machines. in Figure 1, the electromagnet 10 or the moving coil force generator ensuring the maintenance of the oscillations is placed in the space between the suspension elements, in order to limit the size of the machine.

D'autre part, on peut remarquer que le générateur de force ou de depla- cément objet de la présente invention comporte, contrairement aux dispositifs conventiounels peu de surface qui vibrent perpendiculairement à elles-mêmes et qui9 de ce fait, sont génératrices de sons.On the other hand, it can be noted that the force or displacement generator which is the subject of the present invention, unlike conventional devices, has a small surface which vibrates perpendicular to themselves and which therefore generate sounds.

La présente -ñvention? appliquée en particulier aux machines d'essais de fatigue et de fissuration des matériausS permet donc d'en diminuer le poids, l'encombrement, le coat de fabrication, ainsi que la nuisance acoustique qu'elles provoquent The present invention? applied in particular to fatigue and cracking equipment testing machines therefore makes it possible to reduce their weight, size, manufacturing cost, as well as the noise nuisance they cause

Claims

CLAIMS 1- Device for generating force or displacement in rectilinear translation, electromechanical, resonant, which can be used in fatigue and cracking materials testing machines, characterized in that the masses involved in the resonance phenomenon are not linked directly to the member for transmitting force or displacement to the test piece> but are connected to it by means of elastic blades arranged in such a way that the movements of these masses comprise at least one component of rotation.

2- Device according to claim 1, characterized in that certain points of the mobile masses have a greater linear displacement than that of the member for transmitting the force or the displacement with the test piece, in order to lighten the generator, for the same stiffness of the generator along the trajectory of this transmission member and for the same operating frequency in resonance.

3- Device according to claim 1> characterized in that, in order to guide the masses involved in the phenomenon of resonance and to communicate to these masses a rotational movement, each of these masses is connected on the one hand to the organ for transmitting force or displacement to the test piece> on the other hand to the frame of the machine or to a possibly adjustable support but fixed to this frame when the device is used, by plastic blades, of generally planar shape, and arranged parallel to the straight path of the member for transmitting force or displacement to the test piece.

4- Device according to any one of the claims prEcEdentesf characterized in that, in order to eliminate the transmission of dynamic forces to the frame and the vibrations of this frame and the noise nuisance which would result therefrom, the masses intervening in the phenomenon of resonance are arranged in such a way that the inertial forces due to the movements of these masses are balanced.