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24ème Congrès Français de Mécanique Brest, 26 au 30 Août 2019 1 Analyse d’un cy

24ème Congrès Français de Mécanique Brest, 26 au 30 Août 2019 1 Analyse d’un cylindre à paroi mince sous pression : un support simple de montée en compétences C. BERRIETa, J. CHAMBERTb Univ. Bourgogne Franche-Comté, Institut FEMTO-ST, Département de Mécanique Appliquée, Besançon, France a. cecile.berriet@univ-fcomte.fr; b. jerome.chambert@univ-fcomte.fr Résumé : Dans le cadre de la Licence SPI (Sciences Pour l’Ingénieur) de l’UFC (université de Franche-Comté) à Besançon, les étudiants sont amenés à étudier la mécanique de solides déformables dans plusieurs unités d’enseignement. Les étudiants en deuxième année de Licence SPI suivent des cours de dimensionnement des structures et une introduction au calcul des structures par éléments finis. Les étudiants en troisième année de Licence SPI parcours Mécanique suivent des cours de mécanique des milieux continus et d’élasticité linéaire. Afin de proposer une offre de formation cohérente, l’équipe enseignante en mécanique a mis en œuvre une démarche par compétences. L’objectif de ce papier est de présenter l’application de la démarche par compétences dans le cadre de travaux pratiques de 2e et 3e année de Licence SPI en mécanique des solides déformables. Ce papier met l’accent sur les apports pédagogiques pour l’étudiant des travaux pratiques présentés. Le dispositif expérimental utilisé est un cylindre à paroi mince sous pression interne, ouvert ou fermé à ses extrémités. Il permet aux étudiants d’aborder de façon simple les états de contrainte uniaxial et biaxial. La présentation vise à montrer comment les travaux pratiques, proposant mise en évidence expérimentale, calculs et simulations, permettent, au cours de ces deux ans de formation, d’atteindre le niveau de compétences attendu en début de Master à dominante Mécanique. Abstract : As part of the Bachelor's degree in Engineering Sciences at the UFC (University of Franche-Comté) in Besançon, students are studying the mechanics of deformable solids in several teaching units. Students in the second year of the Bachelor SPI take courses in mechanics of materials and introduction to finite element analysis. Students in the third year of Mechanical Engineering are taking courses in continuum mechanics and linear elasticity. In order to provide a coherent training offer, the teaching team in mechanics has implemented a skills-based approach. The purpose of this paper is to present the application of this skills-based approach in the context of practical works of 2nd and 3rd years of the SPI degree in mechanics of deformable solids. This paper focuses on the pedagogical contributions for the student of the practical work presented. The experimental device used is a thin-walled cylinder under internal pressure, open or closed at its ends. It allows students to tackle, in a simple way, uniaxial and biaxial stress states. The presentation aims to show how the practical works, proposing experimental demonstration, calculations and simulations, allow to reach the level of skills expected at the beginning of the Master's degree in Mechanics. 24ème Congrès Français de Mécanique Brest, 26 au 30 Août 2019 2 Mots clefs : compétences disciplinaires, travaux pratiques, dimensionnement des structures, élasticité linéaire, extensométrie par jauge, méthode des éléments finis 1 Introduction L’université de Franche-Comté (UFC) à Besançon propose une Licence SPI comprenant trois parcours : EA (Electronique et Automatique), GM (Génie Mécanique) et IMC (Ingénierie Mécanique et Conception). Dans le cadre de ces formations, les étudiants sont amenés à étudier la mécanique des solides déformables dans plusieurs unités d’enseignement. En deuxième année de Licence SPI, les étudiants ont des cours de dimensionnement des structures (approche technologique type « résistance des matériaux ») et une introduction au calcul des structures par éléments finis. En troisième année de Licence SPI parcours IMC et GM, les étudiants suivent des cours de mécanique des milieux continus et d’élasticité linéaire. Afin de proposer une offre de formation cohérente, l’équipe enseignante en mécanique a mis en œuvre une démarche par compétences [1] : l’étudiant doit acquérir progressivement, au cours de son cursus, des compétences disciplinaires, préprofessionnelles, transversales et linguistiques. Celles visées en Licence seront renforcées ou considérées comme des prérequis dans les Masters à dominante Mécanique et Génie Mécanique de l’UFC. L’objectif de ce papier est de présenter l’application de la démarche par compétences dans le cadre de travaux pratiques de 2e et 3e année de Licence en mécanique des solides déformables. En outre, de manière identique à [2], ce papier met l’accent sur les apports pédagogiques pour l’étudiant des travaux pratiques présentés. Le dispositif expérimental utilisé est un cylindre à paroi mince sous pression interne, ouvert ou fermé à ses extrémités [3]. Il permet d’aborder de façon simple des états de contrainte uniaxial et biaxial, trop souvent mal connu des étudiants. Ce dispositif expérimental est également utilisé dans la spécialité SAPIAA (Systèmes Automatisés de Production dans les Industries Agro-Alimentaires) du master NSA (Nutrition et Sciences des Aliments). SAPIAA est une formation ouverte depuis 1997 en apprentissage à Besançon. Les enseignements sont donc intrinsèquement liés à un référentiel de compétences métiers défini avec les professionnels du secteur industriel agro-alimentaire dont est issue la fiche RNCP [4]. En 2e année de Licence, l’étudiant doit être capable de :  déterminer l’état de déformations sur la surface latérale du cylindre en utilisant des jauges de déformations ;  calculer le module de Young et le coefficient de Poisson du matériau du cylindre ;  exprimer l’état de contrainte uniaxial pour le cylindre ouvert, et biaxial pour le cylindre fermé à l’aide de la loi de Hooke et du principe de superposition. En 3e année de Licence, on considère le problème comme étant le cas limite d’un cylindre à paroi épaisse. L’étudiant doit alors être capable de :  donner l’expression théorique du champ des contraintes en utilisant la mécanique des milieux continus ;  simuler par la méthode des éléments finis en utilisant le logiciel RDM6 [5], d’une part le cylindre ouvert sous pression sous l’hypothèse de contrainte plane, et d’autre part le cylindre fermé sous pression en considérant un problème axisymétrique méridien ;  comparer et analyser les résultats théoriques, numériques et expérimentaux. La présentation vise à montrer comment les travaux pratiques, proposant mise en évidence expérimentale, calculs et simulations, permettent, au cours de ces deux ans de formation, d’atteindre le niveau de compétences attendu en Master à dominante Mécanique. 24ème Congrès Français de Mécanique Brest, 26 au 30 Août 2019 3 2 Présentation du dispositif expérimental Le dispositif expérimental est un banc commercial de TecQuipment Ltd (SM1007) [3], présenté figure 1. Il comporte un tube en aluminum, de longueur totale L = 359 mm, de rayon externe b = 43 mm et d’épaisseur e = 3 mm. Un dispositif de transmission des efforts de fond permet de choisir d’avoir un tube ouvert ou fermé. Une pompe permet d’appliquer une pression interne, qui est mesurée par un manomètre. Un ensemble de 6 jauges est collé sur la paroi extérieure du tube (Fig. 2). Le pont de jauges, totalement intégré au socle, permet de mesurer puis de lire sur un écran les microdéformations. 1- manomètre 2- tube 3- jauges de déformation 4- dispositif tube fermé/ouvert 5- écran de lecture des microdéformations 6- pompe Fig. 1 : Enveloppe mince SM1007 sous pression interne [3]. Fig. 2 : Positions des jauges de déformation (a) et définition des axes (b). 3 Compétences visées en mécanique des solides déformables Les compétences disciplinaires en liens avec la mécanique des solides déformables visées par la Licence SPI parcours Mécanique sont les suivantes :  Ingénierie mécanique : (C1) Expliquer qualitativement les phénomènes mis en jeu dans un système mécanique et dans son environnement à partir de concepts en mécanique et dans des disciplines connexes (physique, thermodynamique). (C2) Utiliser les notions de champ de force, déplacement, vitesse, déformation et contrainte pour analyser le mouvement des solides indéformables, les écoulements de fluides, la rhéologie des solides et fluides. (C3) Lister les principales familles de matériaux et leurs propriétés. 5 1 2 4 3 6 z 1 2 4 5 3 6 x y er e z (a) (b) 24ème Congrès Français de Mécanique Brest, 26 au 30 Août 2019 4  Mathématiques et méthodes numériques : (C4) Résoudre avec des outils mathématiques des problèmes linéaires, 1D/2D. (C5) Mettre en œuvre des techniques d’algorithmique et de programmation, notamment pour développer des applications simples d’acquisition et de traitements de données.  Expérimentation : (C6) Mesurer une grandeur physique : estimer les ordres de grandeur, manipuler correctement les unités et estimer les incertitudes. (C7) Mettre en œuvre des méthodes expérimentales pour la caractérisation de matériaux linéaires, de vibrations de structures discrètes linéaires.  Modélisation et simulation : (C8) Formuler un problème de mécanique avec ses conditions limites, l’aborder de façon simple. (C9) Valider un modèle par comparaison de ses prévisions aux résultats expérimentaux et apprécier ses limites de validité.  Analyse : (C10) Analyser en utilisant un outil numérique ou expérimental les performances statiques et dynamiques d’une solution technologique selon un cahier des charges donné. (C11) Proposer des solutions adaptées au respect d’un cahier des charges donné. Par la suite, nous préciserons, de manière non exhaustive, les compétences mises en œuvre en Licence SPI pour des enseignements en relations avec le dispositif uploads/Ingenierie_Lourd/ berriet-cfm19.pdf