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1 École Polytechnique de Montréal, Département de Génie Mécanique MEC2115 ‐ Mét

1 École Polytechnique de Montréal, Département de Génie Mécanique MEC2115 ‐ Méthodes expérimentales et instrumentation en mécanique Automne 2011 TP4 Conception d'un programme LabVIEW pour la surveillance de la défor mation des poteaux d'une presse Par Luc Marchand, Ph.D., ing. 1. Introduction Pour ce quatrième travail pratique, vous allez concevoir un programme LabVIEW qui aidera l'opérateur d'une presse à contrôler le niveau de déformation dans les poteaux de celle‐ci. Cette presse sert au forgeage à chaud de grosses pièces d'acier qui sont à la fois comprimées et étirées (Fig. 1) dans le but d'obtenir des plaques qui ont une grande résistance mécanique. L'opération de forgeage applique deux types de chargement aux poteaux de la presse: une traction uniaxiale et une charge transversale qui crée de la flexion (Fig. 1). La combinaison de ces deux chargements engendre de grandes déforma‐ tions à la base des poteaux qui sont encastrés dans le sol. Par conséquent, c'est dans cette zone que le niveau de contrainte sera le plus élevé. Figure 1 – À droite, la presse Mesta 5000 Tonnes de Slater Steel1 à Sorel. À gauche, les modes de chargement des poteaux de la presse et de la poutrelle. 1 Slater Steel de Sorel a fermé ses portes en 2003 suite à la faillite de sa maison mère aux États‐Unis. 2 Les poteaux sont soumis à des chargements cycliques qui seront appliqués des millions de fois durant la vie de la presse. Pour s'assurer d'une grande longévité des poteaux, il faut éviter que leur niveau de contrainte ne dépasse la limite d'endurance du matériau (Se)2. Afin de mesurer la contrainte maximale dans les poteaux, des jauges de déformation sont collées à leur base. Le programme de surveillance à concevoir doit faire, en temps réel, la lecture des jauges de déformation et le calcul de la contrainte. Pour aider l'opérateur à éviter le dépassement de la limite d'endurance, la contrainte maximale est affi‐ chée dans un graphe déroulant, tandis que les charges de traction et de flexion, appliquées aux poteaux sont affichées dans des indicateurs individuels. Si la limite d'endurance est dépassée, le programme déclenche des alarmes visuelle et sonore pour avertir l'opérateur. Finalement, la plus haute contrainte maximale atteinte durant chaque cycle de forgeage est enregistrée dans un fichier3. 2. Simulation des poteaux avec une poutrelle encastrée Comme vous vous en doutez bien, nous n'avons pas, à notre disposition, une presse de 5000 tonnes. Nous allons plutôt la remplacer par une simple poutrelle d'acier qui est encastrée sur le bord d'une table (Fig. 2). Bien que la poutrelle soit différente des poteaux de la presse, on peut cependant affirmer que les programmes de surveillance de la déformation seraient similaires dans les deux cas. En effet, la poutrelle subit des charges combinées de flexion et de torsion, ce qui ressemble au cas des poteaux qui subissent eux aussi deux chargements combinés, un en flexion et l'autre en traction. De plus, pour me‐ surer la contrainte maximale, on a recours à des jauges de déformation dans les deux cas. On peut donc conclure que le programme que vous allez concevoir pour la poutrelle, pourrait aussi servir dans le cas de la presse. Figure 2 – Poutrelle fixée à la table Figure 3 – Rosette 45° collée sur le dessus de la poutrelle Poutrelle. La poutrelle qui est utilisée pour le TP‐4 est montrée dans la figure 2. Elle est encastrée à une extrémi‐ té et son chargement est appliqué manuellement à l'autre extrémité à l'aide d'une force verticale 2 La limite d'endurance Se, est la contrainte au‐dessous de laquelle aucun dommage n'est fait au matériau car au‐ cune amorce de fissure ne se crée. 3 Ce fichier pourrait servir aux ingénieurs à évaluer le dommage en fatigue des poteaux (ne fait pas partie du TP‐4) 3 (flexion) et d'un couple (torsion). La poutrelle est fabriquée à partir d'une plaque d'acier dont les di‐ mensions et les propriétés élastiques sont: 3,2 mm x 38 mm x 380 mm de long (dimensions exactes à mesurer au labo) E = 200000 N/mm2 Module de Young ν= 0,29 Coefficient de Poisson Rosette Une rosette 45° munie de trois jauges, est collée sur le dessus de la poutrelle à une distance d'environ 100 mm du bout qui est encastré (Fig. 3). Chaque jauge de la rosette est branchée dans un pont de Wheatstone où elle est montée en ¼ de pont. Pour les trois jauges, le voltage d'alimentation du pont et le facteur de jauge SG sont: V = 2,50 Volts SG = 2,10 La jauge centrale de la rosette fait un petit angle (α) avec l'axe longitudinal de la poutrelle (axe x). Cet angle qui est indiqué sur la poutrelle (Fig. 3), sert au calcul des déformations εx et γxy dont on a besoin pour évaluer les moments de flexion et de torsion appliqués à poutrelle. 3. Cahier de charge du programme de surveillance de la poutrelle Le programme LabVIEW que vous allez concevoir doit réaliser les opérations suivantes: a) Lire les signaux de sortie des trois ponts4 de jauges et les convertir en déformations. La vitesse de lecture et le nombre d'échantillons doivent être modifiables par l'utilisateur. b) Mettre en mémoire les "déformations initiales" des jauges à charge nulle afin de les soustraire des mesures subséquentes (équivaut à faire l'équilibrage initial du pont). La mesure des déformations initiales s'effectue à la demande de l'utilisateur. c) Calculer et afficher les déformations principales (ε1, ε2) et les contraintes principales (σ1, σ2) qui exis‐ tent au niveau de la rosette. d) Calculer les moments de flexion et torsion appliqués à poutrelle et les afficher avec des indicateurs qui ont un grand impact visuel e) Afficher la contrainte maximale, σ1, dans un graphique déroulant et aussi dans un indicateur à grand impact visuel f) Répéter les mesures à un rythme qui peut être réglé par l'utilisateur (de 10 et 100 fois par seconde) g) Déclencher une alarme visuelle et sonore dès que la contrainte dépasse la limite d'endurance (Se réglable). L'alarme doit s'arrêter automatiquement si la contrainte redescend sous la limite d'endu‐ rance ou si on arrête le programme. L'amplitude et le son de l'alarme sonore doivent être réglables par l'utilisateur. L'alarme sonore sera produite par un haut‐parleur externe à partir d'un signal ana‐ logique de tension qui est généré par la carte d'acquisition de données. h) Enregistrer dans un fichier la plus haute contrainte atteinte durant chaque cycle de chargement de la poutrelle. La date et l'heure sont aussi enregistrées avec la contrainte. 4 Chacune des trois jauges de la rosette est montée en ¼ de pont. 4 Un exemple de face‐avant pour un programme de surveillance est illustré à la figure 4. Figure 4 – Exemple de programme de surveillance des déformations de la poutrelle 4. Mesure et calcul des déformations des jauges Chacune des jauges de la rosette est branchée dans un pont Wheatstone qui est situé dans le module de conditionnement pour jauges SC‐2043‐SG. Le signal de sortie des ponts est amplifié par un facteur de 10 par le module de conditionnement, avant d'être envoyé à la carte d'acquisition de données NI PCI‐ 6221 qui se trouve dans l'ordinateur. Il faut donc tenir compte de cette amplification lors du calcul de la déformation de jauges. Les ponts de Wheatstone sont reliés aux trois voies (canaux) suivantes de la carte d'acquisition de données:  Jauge a: ai0  Jauge b: ai1  Jauge c: ai2 Pour faire la lecture des signaux de sortie des trois ponts, on fait appel au VI‐Express "DAQ Assistant" qui est configuré pour acquérir des signaux de tension. Celui‐ci utilise aussi une échelle personnalisée pour convertir les signaux des ponts en déformations. La création et la configuration du "DAQ Assistant" et de son échelle personnalisée sont expliquées en détails dans l'Annexe 1. Au laboratoire, les déformations de la poutrelle vont varier lentement lorsqu'elle sera chargée manuel‐ lement pour simuler les opérations de forgeage. Pour réduire l'effet du bruit dans les signaux, nous allons recourir à une technique simple d'acquisition qui consiste à faire la moyenne de plusieurs échan‐ tillons mesurés dans un temps très court. Ainsi, dans l'Annexe 1, nous configurons le DAQ Assistant pour lire 50 échantillons par voie à une fréquence de 5000 Hz (éch./s), ce qui implique que la lecture des 50 échantillons s'effectue en 1/100 de seconde, un temps très court par rapport à la vitesse d'évolu‐ tion des déformations de la poutrelle. 5 La figure 5 montre un exemple de sous‐VI qui mesure et calcule la déformation moyenne de chacune des jauges de la rosette. La partie gauche du diagramme comprend le VI‐Express "DAQ Assistant" qui fait la mesure des déformations (n échantillons), et le VI‐Express "Statistics" qui calcule la déformation moyenne de chaque jauge. On note aussi que les données dynamiques sortant de "Statistics" sont converties en données de type tableau 1D avec le VI‐Express "Convert from Dynamic Data". Cette conversion est nécessaire pour la suite des opérations du sous‐VI qui sont expliquées plus bas. Figure 5 – Exemple uploads/Ingenierie_Lourd/ ge-lounis-mourad-auto-tp-4-labview-mecanique-tp4-a2011v2-m1-s2.pdf