FR2823849A1 - Dispositif de caracterisation optique du comportement mecanique local d'une structure pouvant presenter des deformations finies non homogenes - Google Patents

Dispositif de caracterisation optique du comportement mecanique local d'une structure pouvant presenter des deformations finies non homogenes Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de caractérisation optique du comportement mécanique local d'une structure pouvant présenter des déformations finies non homogènes.Elle permet de déterminer les contraintes et les déformations dans la partie utile d'une structure (1) soumise à des efforts (2). Des marqueurs (3) sont alignés selon des directions particulières. Les déplacements relatif des barycentres de ces marqueurs, analysés à partir des images de caméras vidéo (4), permettent d'accéder, par interpolation non linéaire, aux composantes des déformations finies et des contraintes au niveau d'un volume élémentaire représentatif (5) relativement petit par rapport aux inhomogénéités.Le dispositif est particulièrement destiné au pilotage en temps réel d'essais de traction sur des matériaux ductiles pouvant donner lieu à une striction diffuse (polymères, métaux).

Description

FR17.0249
La présente invention concerne un dispositif de caractérisation du comportement mécanique local d'une s t ructure pouvant prés enter des dé format ions finies non homogènes. Pour un matériau ductile (polymère, métallique ou autres), il est important de caractériser avec précision la loi de comportement en termes de déformations et de contraintes au niveau d'un volume représentatif assez petit par rapport à la longueur caractéristique des inhomogénéités
de déformation.
Dans l'état actuel de la technique, et notamment dans le cas d'un essai de traction uniaxiale, on rencontre souvent des difficultés lises à la taille trop importante du volume de référence choisi pour les mesures de déformation. Les lois de comportement mécaniques obtenues ne mesurent alors que la réponse macroscopique moyenne de l'éprouvette et n'expriment pas convenablement les propriétés locales du matériau, particulièrement lorsqu'une striction diffuse apparaît. Dans les cas o une cartographie détaillée des déformations est réalisée (notamment dans l'analyse par corrélation de mouchetis complexes à la surface de l'éprouvette) le temps de traitement long des images ne permet généralement pas le pilotage en temps réel pendant l'essai d'une composante
choisie du champ de déformation.
Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients. I1 est fondé en effet sur l'analyse par mesure optique des déplacements relatifs d'un ensemble de marqueurs appliqués avant le début de l'essai à la surface de l'éprouvette dans la zone o des gradients de déformation sont attendus. Le nombre de marqueurs, leur disposition relative et leurs distances sont adaptés à la géométrie - 2 initiale de l'échantillon ainsi qu'à l'acuité des
inhomogénéités de déformation qui peuvent apparaître.
Selon des modes part icul iers de réal i s at ion: - les déformations locales dans un volume représentatif situé au niveau d'une section particulière de l'éprouvette (notamment en traction uniaxiale vers le centre de la striction diffuse)peuvent être obtenues par interpolation non linéaire des déformations déterminées le long de l'éprouvette
à partir des déplacements relatifs de marqueurs alignés.
- les marqueurs peuvent être appliqués sur une face plane latérale de l'éprouvette, sur plusieurs faces latérales ou
sur une surface de révolution.
- la contrainte axiale vraie peut être détermince dans le même volume représentatif que les déformations - la "déformation volumique" (trace du tenseur local des déformations) ou le coefficient de Poisson du matériau peuvent être daduits des mesures de déformations - l'essai peut être piloté en temps réel selon différents modes de réqulation de vitesse de déformation ou de contrainte. A titre d'exemple non limitatif, les dessins annexés illustrent l' invention dans un mode particuller de réal i sat ion concernant un es sai de tract ion uni axi ale sur une éprouvette d'un matériau polymère isotrope subissant une striction diffuse marquée et de grandes déformations. I1 a été choisi, dans ce mode particulier, d'appliquer les
marqueurs seulement sur la face avant de l'éprouvette.
La figure 1 représente, en perspective, l'éprouvette de traction avant le début de l'essai. Elle comporte deux têtes (1 et 1') facilitant sa fixation dans les mors de l'actionneur. Le corps de l'éprouvette (2), de forme globalement parallélépipédique, précente une zone de section logèrement réduite dans sa partie médiane (3) afin d'y J - / - 3 localiser le développement éventuel de la striction. La section droite, So, dans cette zone est calaulée à partir de la largeur et de l'épaisseur locales mesurées avec précision, par exemple à l' aide d'un pied à coulisse. Dans ce mode particulier, 7 (sept) marqueurs sont appliqués sur la face avant de l'éprouvette(4). Ils sont constitués d'une substance adhésive, déformable, et de couleur contrastée par rapport au
matériau de l'éprouvette.
La Figure 2 montre la configuration courante des marqueurs au cours d'un essai de traction dans la zone médiane de l'éprouvette après l 'apparition d'une striction diffuse(5). Les marqueurs A, B. C, D, E sont alignés approximativement selon l'axe de traction X3, tandis que les marqueurs F. C, G sont alignés approximativement selon l'axe transversal X. Les positions des barycentres des marqueurs sont déterminses à partir d' images obtenues par un système optique approprié (une caméra vidéo dans le mode particulier de réalisation correspondant à la figure 2). Chaque image est
analysoe à l' aide d'un système de numérisation informatisé.
Dans le mode particulier de réalisation correspondant à la figure 2, les déformations vraies axiale et transversales du matériau sont déterminées à un instant donné à partir des positions des barycentres des marqueurs par rapport à leur configuration initiale selon les définitions classiquement applicables dans le cas des déformations finies. Dans le mode particulier de réalisation, on applique le schéma "lagrangien résctualisé" selon lequel la composante de déformation selon l'axe Xis'écrit eii= Log(Li/Li ), o Li et Li représentent les composantes selon Xi de la distance des barycentres de deux marqueurs considérés dans les configurations courante et
initiale, respectivement.
Dans le mode particulier de réalisation correspondant à la figure 2, la variation selon X3 de la déformation vraie axiale S33 est déterminée à partir des couples de marqueurs (A,B), (B,C), (C,D) et (D,E), les quatre valeurs étant affectées à la cocrdonnée X3 médiane du couple correspondant, comme indiqué par les points noirs du graphe (7). Par une procédure de régression non linéaire appropriée, on détermine la valeur de la déformation E33R au niveau du volume représentatif (6) situé vers le centre de la striction, et dont le plan médian est situé à la cote moyenne X3R des trois barycentres F. C et G. Dans le graphe (7) de la figure 2, le symbole circulaire (8) est représentatif de la déformation
axiale E33R(X3R) au niveau du volume représentatif (6).
Dans le mode part icul ier de réal i s at ion corre spondant à la figure 2, la déformation vraie transverse E1 iR au niveau du volume représentatif (6) est déterminée par moyenne à partir des couples de barycentres (F,C) et (C, G) selon le même schéma lagrangien réactualisé que pour les déformations axiales (les déformations transversales étant usuellement négatives dans le cas d'une traction). La déformation vraie traneversale E7 1R est affectée à la même cote X3R que le point (8) du graphe (7). Pour une déformation transversalement isotrope, la déformation E22Rselon l'épaisseur est égale à la déformation EllR. On peut alors déduire également la "déformation volumique" au niveau du volume représentatif (6)
par la relation EvR = 2 E: 1R + E33.
Dans le mode particulier de réalisation correspondant à la figure 2, on accède de plus à la contrainte vraie axiale G33 au niveau du volume représentatif (6) par la relation: 33R = (E/SOR) eXp (-2 EllR), OU F est la force courante appliquée et SORla section droite initiale de l'éprouvette mesurée au niveau du volume représentatif (6) et l'on dispose ainsi des informations permettant d'exprimer des lois de comportement,
par exemple 33R (s33R).
Selon une variante non illustrce, la conflguration peut comporter des marqueurs sur plusieurs faces latérales de l'éprouvette, les déplacements de ces marqueurs pouvant être
suivis par une ou plusieurs caméras.
La procédure illustrée aux figures 1 et 2 peut être utilisée pour réaliser des essais mécanlques sur des matérlaux ou des pièces structurales soumises en servlce à des chargements complexes. Dans tous les cas, le système complet (non illustré) peut comporter un ou plusieurs actionneurs hydrauliques ou électromécaniques, une ou plusieurs caméras vidéo (motorisées ou non), une station informatique de traitement d' images en temps réel ou différé et un circuit de réqulation en bouale fermé assurant le pi lot age en t emps rée l des act ionneurs en fonct ion des
informatlons déduites du traitement des images.
1, i

Claims (4)

REVEND I CAT IONS
1) Dispositif de caractérisation du comportement mécanique local d'une structure, par analyse d' images vidéo montrant l'évolution de marqueurs (4) dans la partie utile d'un échantillon pouvant être l'objet de déformations non homagènes. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la variation des déformations locales (7) est déterminse le long d'une direction particulière par le déplacement
relatif de couples de marqueurs alignés dans cette direction.
3) Dispositif selon la revendication 1 et/ou la revendication 2 caractérisé en ce que l'état de déformation finie au niveau d'un volume reprécentatif du matériau (6) est obtenu par l' interpolation non linéaire des déformations locales le long d'une direction particulière selon la
revendication 2.
4) Dispositif selon les revendications précédentes
caractérisé en ce que la "déformation volumique" (trace du tenseur des déformations) peut être déterminée localement au
niveau d'un volume représentatif du matériau (6).
) Dispositif selon tout ou partie des revendications
précédentes caractérisé en ce que la contrainte vraie locale
est accessible au niveau d'un volume représentatif (6).
6) Dispositif selon tout ou partie des revendications
précédentes caractérisé en ce que des essais mécaniques sur des matériaux ou des pièces structurales en service peuvent être pilotés en temps réel par régulation en bouele fermoe des actionneurs compte tenu des évolutions des contraintes et/ou des déformation mesurées au niveau d'un volume
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