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22XD2 Banque filière PTEpreuve de Sciences Industrielles IIIDurée 6 hCALORIMÈTRE ATLAS(Détecteur ATLAS, LHC du CERN)Étude de la presse accordéon pour la mise en forme des absorbeurs.Instructions généralesMatériel autorisé :Tous instruments de dessin industriel.Calculatrice de poche non imprimante, sans document d'accompagnement.Cette épreuve comprend cinq parties :Partie 1 : Etude d’un absorbeur et de sa mise en forme.Partie 2 : Choix d’architecture de la presse de mise en forme d’absorbeurs réguliers etconséquences.Partie 3 : Analyse du tolérancement des fonctions "guidage" et "mise en forme" de l'absorbeur.Partie 4 : Grafcet des phases de mise en forme de l’absorbeur et de préparation de la presse.Partie 5 : Conception de l’entraînement de l'ensemble du couteau 1.Vous trouverez dans le dossier, outre les pages du texte de l'énoncé du sujet :2 pages de figures numérotées de 1 à 6 :Figure 1 Schéma de principe du calorimètre.Figure 2 Variation de l'angle j.Figure 3 Contraintes dans la section droite d'un pli de la plaque sandwich au cours du pliage.Figure 4 Principe de la mise en forme d’un absorbeur régulier.Figure 5 Equilibre de pans d’absorbeur en cours de déformation.Figure 6 Formes brutes et formes usinées de la mâchoire inférieure.10 documents numérotés de I à X :Document I (format A3) :Profil de l'absorbeur à 20°C.Document II (format A4 recto) : Exemples d’architectures de la presse accordéon.Document III (format A4 verso) : Solution à ...

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22XD2 Banque filière PT Epreuve de Sciences Industrielles III Durée 6 h CALORIMÈTRE ATLAS (Détecteur ATLAS, LHC du CERN) Étude de la presse accordéon pour la mise en forme des absorbeurs. Instructions générales Matériel autorisé : Tous instruments de dessin industriel. Calculatrice de poche non imprimante, sans document d'accompagnement. Cette épreuve comprend cinq parties : Partie 1 : Etude d’un absorbeur et de sa mise en forme. Partie 2 : Choix d’architecture de la presse de mise en forme d’absorbeurs réguliers et conséquences. Partie 3 : Analyse du tolérancement des fonctions "guidage" et "mise en forme" de l'absorbeur. Partie 4 : Grafcet des phases de mise en forme de l’absorbeur et de préparation de la presse. Partie 5 : Conception de l’entraînement de l'ensemble du couteau 1. Vous trouverez dans le dossier, outre les pages du texte de l'énoncé du sujet : 2 pages de figures numérotées de 1 à 6 : Figure 1 Schéma de principe du calorimètre. Figure 2 Variation de l'angle j. Figure 3 Contraintes dans la section droite d'un pli de la plaque sandwich au cours du pliage. Figure 4 Principe de la mise en forme d’un absorbeur régulier. Figure 5 Equilibre de pans d’absorbeur en cours de déformation. Figure 6 Formes brutes et formes usinées de la mâchoire inférieure. 10 documents numérotés de I à X : Document I (format A3) :Profil de l'absorbeur à 20°C. Document II (format A4 recto) : Exemples d’architectures de la presse accordéon. Document III (format A4 verso) : Solution à parallélogramme déformable. Document IV (format A4) : Schéma de principe de la presse accordéon. Document V (format A4) : Configuration du mécanisme lié au couteau 1. Document VI (format A4) : Dessin de définition partiel du couteau 1. Document VII (format A4 recto) : Dessin de définition partiel de la mâchoire inférieure. Document VIII (format A4) : Tableaux des actionneurs et des capteurs. Document IX (format A4 verso) : Grafcet des tâches des phases 2 et 4. Document X (format A4) : Vérin d’ouverture. 4 documents à rendre non pliés avec la copie (2 feuilles recto verso) : Document II (format A4 recto) : Exemples d’architectures de la presse accordéon. Document III (format A4 verso) : Solution à parallélogramme déformable. Document VII Dessin de définition partiel de la mâchoire inférieure. Document IX Grafcet des tâches des phases 2 et 4. 1 calque préimprimé (à rendre non plié avec la copie). a » PRÉSENTATION GÉNÉRALE Le LHC (Large Hadron Collider) du CERN est un accélérateur de particules. Il est installé dans une galerie souterraine torique, creusée à environ 80 m sous la surface du sol et située à proximité de Genève. Cette galerie torique est générée par une section circulaire verticale de 3,8 m de diamètre dont le centre décrit un cercle, de près de 27 km de circonférence, dans un plan horizontal. Cette galerie circulaire contient, dans ce plan horizontal, deux tubes parallèles distants de 194 mm, soumis au vide et parcourus chacun, et en sens contraire, par un flux de protons dont le faisceau a un diamètre de 16 micromètres. En quatre points IP (points d’interaction) de l’anneau, sont prévus des croisements de ces deux faisceaux, où se produisent les collisions des particules. C’est pour observer les résultats de ces collisions, en l’un de ces points d’interaction appelé IP1, que le détecteur ATLAS a été conçu. Il résulte de la participation de 150 Instituts de 33 pays différents. En cours de construction, il sera opérationnel en 2005. Il est prévu que le détecteur ATLAS, assemblé dans une vaste cavité, occupe un volume cylindrique de 25 m de diamètre et de 40 m de longueur et possède une masse d’environ 10 000 tonnes. Son axe est confondu avec l’axe du tube dans lequel se produisent les collisions. Le détecteur ATLAS est lui-même composé de plusieurs détecteurs cylindriques coaxiaux. L’un de ces détecteurs est le CALORIMÈTRE ATLAS. Il a pour fonction la mesure des énergies des particules neutres et chargées issues des collisions. Il a la forme d’un cylindre de 4,5 m de diamètre extérieur, 2,3 m de diamètre intérieur et de 6,8 m de longueur. Il est en fait formé de deux parties symétriques par rapport au plan passant par IP1 et perpendiculaire à l’axe du tube. Chacune des deux parties du calorimètre est essentiellement constituée de 1 024 plaques métalliques radiales, pliées en forme d'accordéon, dont les plis sont parallèles à l'axe du détecteur (Fig. 1). Ces plaques sont des absorbeurs qui transforment l'énergie incidente de certaines particules, issues de la collision, en une gerbe de nouvelles particules. Ces nouvelles particules traversent l’argon liquide qui entoure les absorbeurs et qui libère des électrons. Ceux-ci sont collectés et mémorisés. L’étude qui suit s’applique à l’absorbeur puis à la machine qui permet sa mise en forme. PARTIE 1 : Etude d’un absorbeur et de sa mise en forme. La forme de l’absorbeur réel (Document I) est caractérisée par deux flancs (gauche et droit), contenus dans le plan moyen, et 14 pans séparés par 15 plis. L’absorbeur est obtenu par déformation, en accordéon, d’une plaque plane, de largeur b = 0,771 m et de longueur L = 3 m. Cette plaque plane est un sandwich composé d’une plaque de plomb d’épaisseur ep = 1,5 mm comprise entre deux feuilles de fibres de verre pré-imprégnées d’épaisseur ev = 0,13 mm, l’ensemble compris entre deux feuilles d’acier inoxydable d’épaisseur ei = 0,2 mm (Fig. 3). Une fois mis en forme dans la presse accordéon, cet ensemble est pressé dans une autre machine à sa forme définitive et chauffé. La polymérisation de la résine qui imprègne la fibre de verre fixe entre elles les plaques de plomb et d’acier inoxydable. Les caractéristiques des plaques et des matériaux qui constituent le sandwich sont rappelées dans le tableau suivant : Acier Inox Plomb Pré-imprégné 3Masse volumique kg/m r i = 7900 r p = 11300 r v = 1500 Nombre de feuilles 2 1 2 Epaisseur de la feuille mm ei = 0,2 ep = 1,5 ev = 0,13 Limite élastique MPa s ei = 200 » 0 0 1-1 On se propose de calculer le poids des absorbeurs constituant le calorimètre complet, afin d'envisager une technique de maintien de ceux-ci. Question 1-1-a : Calculer le poids d’un absorbeur. En déduire le poids total de l’ensemble de tous les absorbeurs de chacune des deux parties du calorimètre et le poids des absorbeurs du calorimètre entier. On se propose de justifier la géométrie nominale du profil de l’absorbeur réel du Document I. Compte tenu de leur poids, tous les absorbeurs sont maintenus entre eux. Ils sont calés les uns contre les autres par des plots dont, pour des raisons de simplicité de fabrication, la hauteur h est constante (Fig. 2). dq 2 Question 1-1-b : Calculer l’angle = q – q entre les plans moyens de deux absorbeursi+1 i contigus. Cet angle est supposé petit. Ecrire la relation entre le rayon rj, l’angle a j, la hauteur h du plot situé dans le plan moyen de l’absorbeur q et l’épaisseur e de l'absorbeur (Fig. 2 et 3). Il esti exigé que l’écartement h, entre deux absorbeurs contigus, au voisinage de leurs plans moyens soit constant. L’écartement entre deux pans n’est cependant pas rigoureusement constant, expliquer pourquoi. Calculer les variations ± d h de l’écartement h entre deux pans de largeur 57 mm. Peut-on néanmoins justifier l’emploi de plots de hauteur constante ? 1-2 On cherche à estimer le moment de flexion nécessaire pour réaliser un pli, dans le sens de la longueur, dans la plaque plane sandwich initiale, afin de prévoir les efforts que devra exercer la presse accordéon. Pour simplifier les calculs, on considère l’absorbeur régulier du Document I. Son profil est composé de 6,5 motifs identiques et terminé par deux flancs de largeur 13,3 mm et 16,7 mm. Chaque motif a une longueur dépliée de = 114 mm. L’angle entre les pans et la normale au plan moyen vaut a =0 39,9°. On néglige les contraintes développées par la flexion dans le plomb et dans le pré-imprégné. La répartition des contraintes dans l'épaisseur de la plaque sandwich au début, et en cours de pliage, est schématisée selon la Fig. 3. Les contraintes dans les feuilles d'acier inoxydable sont supposées uniformes. Elles ont pour valeur la limite élastique en traction et en compression : ei = 200 MPa. Question 1-2-a : Justifier la nullité des contraintes de traction dans le plomb et dans la fibre de verre préimprégnée. Justifier la constance de la contrainte dans les feuilles d'acier inoxydable, compte tenu de la courbe de traction de ce matériau (Fig. 3). Question 1-2-b : Calculer le moment de flexion M nécessaire pour créer un pli de longueur L = 3 m dans la plaque sandwich. Donner son expression en fonction de s ei, ei, ep, ev et L. Donner sa valeur numérique. 1-3 On se propose de calculer les forces que doit développer la presse accordéon. La Fig. 4 donne un principe de mise en forme d'un absorbeur : - serrage du flanc gauche de la plaque, sur une largeur de 13,3 mm, dans un serre-flanc lié au bâti fixe. - serrage du flanc droit de la plaque, sur une largeur de 16,7 mm, dans le serre-flanc du couteau 15 en liaison glissière par rapport au bâti, - mise en contact avec la tôle des arêtes des 7 couteaux supérieurs de numéros pairs. Ces couteaux sont en liaison glissière sans frottement avec la table supérieure, elle même en liaison glissière verticale avec le bâti. Les couteaux sont maintenus parallèles et équidistants par des vérins d'ouverture, des ventouses magnétiques et un système d'agrafes non représenté sur la figure 4. - mise en contact, avec la tôle, des arêtes des 6 couteaux inférieurs de numéros impairs. Ces couteaux sont en liaison glissière sans frottement avec la table inférieure, elle même en liaisonet équidistants par desla figure 4. - les deux tables supérieure et inférieure se rapprochent en ayant chacune un déplacement vertical égal et opposé par rapport au bâti. Un premier déplacement de 1 mm permet le préformage de la plaque tendue par les vérins d’ouverture. Il est suivi par un second déplacement au cours duquel les ventouses mag
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