Nicolas Phan

mardi 26 octobre 2021 · 0 min read

Dynamics Test Centre CED

Crash test de siège sur catapulte inverse

Le Centre d'Essais Dynamiques (CED) est un laboratoire d'essais public ouvert à tout organisme industriel ou de recherche. Il fournit, entres autres, les installations nécessaires aux essais de crash de sièges sur une puissante catapulte inverse hydropneumatique. Celle-ci est utilisée par les fabricants de l'industrie automobile ou aérospatiale pour évaluer le comportement des sièges lors d'une collision/accident afin de garantir la sécurité des occupants.

Les ingénieurs du CED visualisent les mesures en temps réel pendant l'essai. Ils utilisent le logiciel DEWESoft X et les systèmes d'acquisition durcis Dewesoft KRYPTON pour tester les mécanismes des sièges et aussi calibrer les mannequins de crash test.

Le crash test d'un siège ressemble presqu’au lancement d’une fusée. Un siège et un mannequin sont placés sur la catapulte pour être ensuite libérés à des vitesses spécifiques pour simuler une collision. Les techniciens vérifient méticuleusement le spécimen d'essai et l'installation - le banc d'essai, le siège, le mannequin de test, chaque fixation, câble et capteur.

Lorsque tout est prêt, tout le monde évacue la salle d'essai. Derrière l’énorme vitre blindée de la salle de contrôle, ils attendent. Puis, le chef opérateur fait retentir une alarme forte et angoissante. Le personnel présent sait désormais que le test est imminent. Et BAAANG !!! - on entend le ressort pneumatique se décomprimer et on ressent les vibrations du sol - même dans la salle de contrôle isolée. Des jours ou des semaines de préparation et tout se passe en moins d'une seconde ! C'est une mesure unique. Le mannequin encaisse le choc. Et le siège du mannequin ? Avez-vous déjà fait des montagnes russes ou d'autres attractions à sensation ? Imaginez alors une collision contre un mur !

Le banc d'essai du CED est le plus puissant d'Europe. Il est capable de projeter un spécimen de 4 tonnes à 90 km/h sur 1 à 2m, ce qui correspond à la distance parcourue lors d’un crash (déformation du véhicule).

Le crash test d'un siège automobile

Pour les voitures, le crash est un test de sécurité obligatoire et réglementé pour homologuer les véhicules. Les sièges automobiles permettent aux occupants de conduire de manière détendue et sûre. Aujourd'hui, le siège peut combiner de nombreuses fonctions mécatroniques telles que l'automatisation du réglage via un moteur électrique, le chauffage, un système audio actif ou dispositif de reconnaissance du conducteur.

Un siège combine des centaines de composants mécaniques. Les plus fondamentaux en matière de sécurité sont le mécanisme d'ancrage, la glissière intérieure, le mécanisme de verrouillage, la visserie, le dossier du siège, sans oublier les pièces de sécurité essentielles comme les airbags et ceintures. La cinématique des sièges modernes est complexe. Les composants du mécanisme du siège doivent être capables d'incliner, de soulever, de régler et de faire pivoter le siège sans effort, puis de le ramener en douceur en position de conduite - voir figure 1.

Pour élaborer un modèle numérique de résistance aux vibrations et aux chocs, le département de simulation R&D du CED a besoin de données mesurées en conditions réelles et des contraintes mécaniques extrêmes lors d’un accident. La science des matériaux et l'étude des surfaces - et des contacts entre elles - sont également utilisées pour comprendre le comportement mécanique et les problèmes potentiels pouvant apparaitre sur le long terme après la mise en service.

Figure 1. Le siège d'un véhicule est constitué d'une multitude de composants

Le Centre d’Essais Dynamiques - CED

Le Centre d’Essais Dynamiques CED appartient au Campus Industriel de Recherche et d’Innovation Appliquées aux Matériaux (CIRIAM) - récemment rebaptisé Normand'Innov, et soutenu par le conseil régional de Normandie en France. Basé dans la ville de Caligny, le CED comprend des installations d'essais telles que des tables vibrantes, des enceintes climatiques et acoustiques, ainsi que la catapulte inverse hydropneumatique.

Les tables vibrantes six axes du CED couvrent une large gamme de vibrations et de charges pour la simulation multiaxiale de profils routiers, aéronautiques ou sismiques. Voir la figure 2 pour plus de détails.

Ces tests de vibration peuvent être combinés à une chambre climatique amovible pour le chaud, le froid ou l'humidité, ou à une chambre semi-anéchoïque pour la mesure du bruit parasites, le développement de voitures électriques, le confort acoustique, etc. Avec la catapulte inverse hydropneumatique, le CED travaille pour des entreprises automobiles et aérospatiales telles que Airbus, Safran, Zodiac Aerospace.

Le site de 61 hectares à Caligny comprend également l’usine de production des mécanismes de sièges FAURECIA et une antenne de l'Université ENSICAEN. Ce pôle de R&D reconnu mondialement pour la conception de mécanismes de sièges excelle dans la formation et recherche appliquée en génie mécanique et science des matériaux.
Faurecia S.E. est un équipementier automobile français d'envergure mondiale dont le siège social est situé à Nanterre, près de Paris. Il se situe dans le top 10 mondial des plus grands équipementiers automobiles et est le leader des habillages intérieurs de véhicules ou technologies d’échappements. Une voiture sur trois dans le monde est équipée d'une manière ou d'une autre par Faurecia.

Figure 2. Table de vibration à six axes avec la chambre climatique

La catapulte inverse

La puissante catapulte inverse hydropneumatique du centre d'essais du CED est utilisée pour les essais d'impact et les essais dynamiques en temps réel des équipements automobiles tels que les tableaux de bord, les sièges ou dispositifs de fixation pour enfants. Le banc est constitué d'un chariot projeté par un ressort hydropneumatique pour reproduire des situations d'impact/choc, accélération/décélération sur des structures et assemblages mécaniques. Il permet de réaliser des crash tests avec 3,1 méga newtons, 90 km/h, 122 g et une charge utile de 3000 kg - voir figures 3 et 4.

Figure 3. Catapulte inverse hydropneumatique pour le crash test.

Le dispositif sur lequel sont effectués les essais dynamiques des sièges est composé d’un chariot se déplaçant sur des rails. Le chariot en translation simule les accélérations d'un accident de voiture, recréant ainsi les forces exercées sur les occupants à l'intérieur des véhicules lors d'accidents réels. Les variations d’accélération ou de décélération pendant un essai suit des profils de sollicitation bien spécifiques selon le type d’accident.

Pour évaluer par exemple la protection contre les chocs arrière, les sièges du véhicule sont fixés au chariot. Le chariot est propulsé de manière à simuler un véhicule à l'arrêt percuté par l'arrière par un autre véhicule du même poids roulant à 32 km/h. Pour ce faire, de l’air est comprimé dans un cylindre pneumatique, poussant ensuite le chariot vers l'avant selon un profil d'accélération préprogrammé (impulsion de type choc).

Figure 4. Préparation d'un test de catapulte inverse hydropneumatique - installation du siège et du mannequin est sur le chariot

La catapulte garantit la répétabilité des multiples impulsions en respectant les spécifications du constructeur, les réglementations des autorités et normes de sécurité telles que:

StandardOrganizationDescription
ECE17CEE-ONURèglement No 17 de la Commission économique pour l'Europe des Nations unies (CEE-ONU) — Prescriptions uniformes relatives à l'homologation des véhicules en ce qui concerne les sièges, leur ancrage et les appuis-tête
ECE94CEE-ONURèglement No 94 de la Commission économique pour l'Europe des Nations unies (CEE-ONU) — Prescriptions uniformes relatives à l'homologation des véhicules en ce qui concerne la protection des occupants en cas de collision frontale
ECER44CEE-ONURèglement No 44 de la Commission économique pour l’Europe des Nations unies (CEE-ONU) — prescriptions uniformes relatives à l’homologation des dispositifs de retenue pour enfants à bord des véhicules à moteur («dispositifs de retenue pour enfants»)
WhiplashEuro NCAPLes tests Euro NCAP du coup du lapin sont destinés à promouvoir les meilleures pratiques dans la conception des sièges et appuie-tête, à savoir les conceptions intégrant les données recueillies à la suite d'accidents afin qu'ils assurent réellement la protection la plus efficace.
Euro NCAPEuro NCAPLe Programme Européen pour l'Evaluation d'Automobiles Neuves (Euro NCAP) est un programme européen volontaire d'évaluation des performances de sécurité des voitures. La note de sécurité est déterminée à partir d'une série de tests de véhicules, conçus et réalisés par Euro NCAP.
US NCAPNational Highway Traffic Safety Administration (NHTSA)Une disposition de la "Safe, Accountable, Flexible, Efficient Transportation Equity Act : A Legacy for Users" (SAFETEA-LU) exige que les nouveaux véhicules de tourisme soient étiquetés avec les informations relatives aux cotes de sécurité publiées par la National Highway Traffic Safety Administration dans le cadre de son New Car Assessment Program (NCAP).
FMVSS (202, 207, 208, 225)Federal Motor Vehicle Safety Standards (FMVSS)Les normes fédérales de sécurité des véhicules à moteur (FMVSS) sont des réglementations fédérales américaines qui spécifient les exigences en matière de conception, de construction, de performance et de durabilité des véhicules à moteur et des composants, systèmes et caractéristiques de conception liés à la sécurité automobile.
AS8049SAE Aerospace Standard (AS)Norme de performance des sièges de giravions, d'avions de transport et d'avions d'aviation générale civils.
Figure 5. Exemple de profil d'accélération du temps.

Les ingénieurs du CED utilisent sur la catapulte un système d'acquisition et un logiciel dédié de KT Automotive GmbH, une émanation de Kayzer-Threde Gmbh, qui fait maintenant partie du groupe Kistler. Cependant, avec le système de crash test standard, ils n'étaient pas en mesure de visualiser les signaux de test avant, pendant ou immédiatement après le test. Le test fonctionnait comme une boîte noire enregistrant les données de manière autonome. Pour visualiser les données et effectuer leurs calculs, les ingénieurs devaient passer en mode post-analyse et exporter les données.

Pour améliorer le banc d'essai et surtout acquérir la capacité de mesurer les jauges de contrainte demandée par leurs clients, les ingénieurs de CED étaient à la recherche d'un système DAQ fournissant :

  • Un conditionneur de jauges de contrainte 6 voies (pont complet, ½ pont, ¼ de pont).

  • Système compact et robuste à intégrer sur le chariot de la catapulte.

  • Résistant aux chocs de 25 à 60G (avec un rythme d'environ 50 tests/an).

  • Fréquence d'échantillonnage maximale de 20kHz par voie.

  • Entrée numérique pour synchroniser le départ d’acquisition avec le système de catapulte.

  • Possibilité de visualiser les mesures en temps réel ou d'avoir les résultats immédiatement à la fin de l'essai. Ceci n'était pas possible avec le système existant qui fonctionne comme une boîte noire et nécessite une longue analyse après essai.

Le nombre de voies utilisées dépend de ce qui doit être analysé - le mécanisme du siège, le comportement humain sur le siège, ou les deux..

La Solution

Les ingénieurs du CED ont choisi la solution matérielle proposée par Dewesoft - voir figure 6 :

  • KRYPTON 6xSTG : système d'acquisition de données universel à 6 voies pour jauges de contrainte

  • KRYPTON ONE 4xDI : module d'entrée numérique à 4 voies

  • ECAT Power Junction : pour l'injection de l'alimentation électrique

  • Câble EtherCAT flexible spécifique de 50m KAWEFLEX® dédié au chariot roulant et aux mouvements mécaniques répétitifs

  • Fréquence d'échantillonnage 20kHz par voie

Figure 6. Architecture du système Krypton sur la catapulte.

Le Krypton One 4xDI reçoit un signal numérique du chariot de la catapulte qui déclenche la mesure pour synchroniser les systèmes d'acquisition de données. Comme Dewesoft X peut démarrer un enregistrement sur de nombreuses conditions de trigger avec un temps de pré-trigger. Aucune donnée n'est perdue et les résultats peuvent être exportés dans divers formats pour être comparés à tout autre donnée issue d’un système d'acquisition tiers.

Figure 7. Modules Krypton montés sur le chariot de la catapulte.
Figure 8. EtherCAT KAWEFLEX® flexible et personnalisé de 50 m pour l'alimentation, la transmission des données et la synchronisation des Krypton

Le matériel Dewesoft est livré avec le puissant logiciel d'enregistrement et d'analyse des données – Dewesoft X. Un large choix de fonctions mathématiques est disponible :

Grâce à sa facilité d’utilisation, les ingénieurs de CED peuvent rapidement créer des affichages multi-physiques personnalisés et y intégrés des calculs en temps réel - voir les figures 9 et 10.

Figure 9. Exemple d'une interface logicielle personnalisée pour le calcul mathématique en temps réel.
Figure 10. De nombreuses fonctions mathématiques (y compris les filtres CFC pour le crash test) sont disponibles dans le logiciel DewesoftX.

Les mannequins d'essai de choc

Les essais de crash font appel à un mannequin de choc. Ces mannequins sont conçus pour simuler la réponse humaine aux impacts, accélérations, déflexions, forces et moments d'inertie générés lors d'un choc. Ils permettent d'étudier et de développer des structures et des dispositifs de retenue résistants aux chocs.

Équipés de nombreux capteurs intégrés ou montés selon les besoins de l’essai, ils captent et enregistrent une série de valeurs pendant le test. Ces valeurs enregistrées, ainsi que d'autres mesures effectuées pendant le crash test, permettent d'évaluer si le test est conforme aux normes.

Tous les détails - les vêtements du mannequin, la tension et position du harnais, le serrage de la ceinture du véhicule - sont réglementés par des normes, ce qui permet de répéter et de comparer les tests lorsqu'ils sont effectués par différents laboratoires.

Les mannequins instrumentés du CED sont fabriqués par le constructeur américain HUMANETICS, leader mondial dans la conception, la fabrication et la fourniture de mannequins de d'essai de choc reproduisant fidèlement l'être humain. La société fournit également des équipements d'étalonnage, des capteurs de collision, des logiciels de modélisation et des équipements de test de sécurité active. Et ces mannequins ne sont pas des jouets bon marché. Le prix d'un mannequin est similaire à celui d'une très belle voiture familiale.

Figure 11. Different dummy models are used according to the test configuration - frontal or side-impact - and the biomechanical behavior that needs to be studiedFigure 11. Différents modèles de mannequins sont utilisés en fonction de la configuration de l'essai - choc frontal ou latéral - et du comportement biomécanique à étudier.

Les mesures

Dans tous les crash-tests physiques, les mannequins sont utilisés pour mesurer les forces et évaluer les blessures probables des conducteurs et des passagers du véhicule, adultes ou enfants. Une série de crash tests destructifs est réalisée pour simuler les types d'accidents les plus courants, notamment l'impact frontal, l'impact latéral, la sortie de route et l'impact arrière.

Par an, le centre d'essais du CED réalise environ 600 à 800 crashs tests - chocs frontaux et latéraux - en fonction du nombre de spécimens d’essai réalisé. 20 à 30 voies de mesure sont nécessaires pour un seul mannequin. C'est pourquoi des voies supplémentaires tels que les modules Dewesoft Krypton sont utilisés.

Les Krypton nous permettent d'acquérir facilement et rapidement jusqu'à six jauges de contrainte sur un essai.

explique Baptiste Fleury, ingénieur Crash Test au CED Normandie. " Nous utilisons ces jauges pour mesurer les contraintes à différents endroits des sièges. Par exemple, vérifier une faiblesse potentielle identifiée préalablement par calcul, dimensionner un composant en fonction des contraintes mesurées, ou encore apporter des données au calcul sur des endroits difficiles à modéliser ou à simuler".

Avant qu'un siège de voiture ne soit commercialisé, d'autres tests de collision peuvent être effectués. Les fabricants effectuent des simulations de crash tests tout au long de la conception et du développement d'un produit. Les premiers crash-tests sont effectués à des fins de recherche pour aider à déterminer les aspects de la conception devant être améliorés ou pour clarifier si une modification potentielle du produit sera bénéfique ou non. Cependant, dans certains cas, les premiers crash tests ne sont effectués que lorsque le siège prototype est disponible.

Des cellules d’effort, des accéléromètres, des capteurs de déplacement sont inclus dans les mannequins. Ils aident les ingénieurs à évaluer ce que subit un véritable corps humain en termes de choc et de force d'impact. Ils sont également utilisés pour évaluer l'efficacité des systèmes de sécurité du siège tels que :

  • les ceintures de sécurité,

  • les appui-tête,

  • les accoudoirs de siège,

  • etc.

D'autres capteurs, comme les jauges de contrainte, sont également montés sur les sièges. Ceux-ci permettent aux ingénieurs de voir comment les matériaux utilisés se comporteront en cas de collision - s'ils sont suffisamment solides pour ne pas se casser, se perdre ou se déformer.

Figure 12. Un mannequin monté et prêt pour le crash test

Des modules d'acquisition polyvalents

Les nouveaux modules Dewesoft Krypton du CED sont non seulement robustes mais aussi polyvalents. Dans leur département de métrologie - la "Clinique des mannequins" - les ingénieurs les utilisent aussi pour d'autres mesures, comme l'étalonnage des capteurs et le contrôle de l’état de santé des mannequins.

Comme les mannequins d'essai de choc simulent la réaction humaine aux impacts, aux accélérations, aux déflexions, aux forces et aux moments d'inertie générés lors d'un choc, ils sont soumis à rude épreuve. Tout au long de leur "vie", les mannequins sont exposés à des niveaux de choc élevés et tous les capteurs qu'ils contiennent - force, couple, déplacement... - doivent être vérifiés régulièrement. Cela se fait sur des bancs d'essai spécifiques tels que des bancs d'essai d'impacteur ou sur machine de traction-compression. La haute précision et les entrées universelles des modules Krypton sont bien adaptées à ces objectifs de calibration.

Les procédures d'essai des mannequins sont réglementées et décrites dans des normes d'essai. Les ingénieurs effectuent un test soit sur un impacteur pendulaire dynamique, soit sur un banc d'essai électromécanique pour la traction et la compression - voir figures 13 et 14.

L'impacteur pendulaire dynamique fournit des données sur le comportement des matériaux ou des composants soumis à des variations rapides d’effort. Il est utilisé pour mesurer la réponse d'un impact sur le thorax humain - entre le cou et l'abdomen. Lors des essais avec le pendule, une masse de référence connue heurte le mannequin à une vitesse connue. La réponse force/déflexion du sternum ou de l'os du thorax du mannequin est mesurée.

Le banc d'essai électromécanique est utilisé pour mesurer la courbe de réponse du capteur. Il applique une charge statique ou un déplacement connu et la déformation du capteur lui-même est vérifiée.

Figure 13. Impacteur pendulaire dynamique pour la calibration du mannequin

L'ensemble de la chaîne de mesure de l'acquisition de données peut également être étalonné à l'aide d'un générateur de signal électrique de référence. Chaque capteur a une sortie électrique qui est mise à l'échelle en une unité physique dans le système d'acquisition. Un processus d'étalonnage est effectué pour vérifier si le système d'acquisition de données lui-même mesure la valeur correcte. Un générateur de signal calibré est utilisé comme référence de tension électrique connue et le signal est envoyé aux entrées du système d'acquisition de données.

Fig. 14. Les modules Krypton sont utilisés pour calibrer les mannequins et les capteurs.

Conclusion

Le Centre d'Essais Dynamiques CED en Normandie France a choisi les modules d'acquisition durcis DEWESoft KRYPTON pour leur catapulte de crash test de sièges. Avec une résistance aux chocs jusqu'à 100G, des amplificateurs STG universels ou pour jauges de contraintes à l'intérieur, les modules KRYPTON sont adaptées à une utilisation en conditions de vibrations & chocs extrêmes tout en garantissant une gamme de mesures en haute résolution.

Facile à utiliser et polyvalent, nous utilisons les modules KRYPTON à la fois pour les crash tests afin d'étudier le comportement dynamique des structures/matériaux et pour les opérations de calibration de haute précision.

déclare l'ingénieur chargé des essais de crash, Baptiste Fleury.

Références

Reportage télé sur le CED

Reportage vidéo sur le centre de test du CED

Crash Test d'un mannequin au CED