Identification de comportements mécaniques et à rupture par corrélation d'images 2D et 3D : Application aux filtres à particules Diesel à base de titanate d'aluminium

par Paul Leplay

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Marie-Christine Baietto-Dubourg.

Le président du jury était Rafaël Estevez.

Le jury était composé de Marie-Christine Baietto-Dubourg, Rafaël Estevez, Michel Boussuge, Stéphane Roux, Julien Réthore, Sylvain Meille, Fabiano Rodrigues, Jean-José Orteu.

Les rapporteurs étaient Michel Boussuge, Stéphane Roux.


  • Résumé

    Les filtres céramiques représentent une solution efficace pour capturer et retenir les particules carbonées émises par les moteurs automobiles Diesel. En cas de choc thermique dû à une régénération sévère, la résistance thermomécanique de ces filtres est primordiale pour assurer une bonne efficacité de filtration pendant toute la durée de vie du véhicule. Pour cette raison, la conception de filtres à particules Diesel à base de titanate d'aluminium est une innovation prometteuse au sein de la gamme du groupe Saint-Gobain. A température ambiante comme à haute température, les caractérisations des comportements mécaniques et à la propagation de fissure du titanate d'aluminium sont les objectifs principaux de ces travaux de thèse. Basée sur différents essais mécaniques analysés par corrélation d'images 2D et 3D, une méthodologie d'identification est ainsi développée et appliquée sur la céramique à base de titanate d'aluminium pour les filtres à particules. Tout d'abord, des essais de flexion effectués à température ambiante mettent en évidence le comportement endommageable de cette céramique microfissurée fortement poreuse. Des fonctions de forme spécifiques à la flexion quatre points sont construites pour mesurer, par corrélation d'images 2D, la cinématique globale et la position de l'axe neutre. Une loi d'endommagement est identifiée pour représenter la dissymétrie entre les comportements en traction et en compression. Cette approche d'identification est appliquée à haute température, où le comportement mécanique du matériau est non-linéaire en raison du réseau de microfissures et de la viscosité de la phase secondaire. Une seconde approche de corrélation d'images 2D, basée sur les séries de Williams, est appliquée pour analyser des essais de flexion entaillée et étudie la fissuration quasi-fragile du matériau à température ambiante. Les différents modes d'endommagement sont quantifiés énergétiquement à travers l'application d'une méthode de corrélation d'images, basée sur la méthode de l'écart à l'équilibre. A haute température, la propagation de fissure apparaît également comme quasi-fragile, entre autres en raison d'importants mécanismes de renforcements vers 800°C. Parallèlement, l'essai de double-torsion est analysé car il permet de contrôler la propagation de fissures sur de longues distances. Un prototype est conçu pour réaliser des essais in situ dans un tomographe. Par corrélation d'images 3D, l'évolution du front curviligne de la fissure est observée dans l'épaisseur du matériau. Avec une simulation X-FEM, la répartition des facteurs d'intensité des contraintes le long du front de fissure est calculée pour en expliquer sa propagation. Ces travaux ont permis de caractériser les fortes déformabilité et résistance à la propagation de fissure du matériau à haute température. Ces propriétés jouent un rôle clef dans la résistance thermomécanique des filtres à particules Diesel à base de titanate d'aluminium.

  • Titre traduit

    Identification of mechanical and fracture behaviours using 2D and 3D digital image correlation : Application to Diesel particulate filters made of aluminium titanate


  • Résumé

    Ceramic filters are an efficient solution to capture and retain the carbon particulates that are emitted by Diesel engines. In case of thermal shock due to a severe regeneration, the thermomechanical resistance of these filters is essential to ensure high filtration efficiency during the whole life time of the vehicle. For this reason, the conception of filters made of aluminium titanate is a promising innovation for the group Saint-Gobain. The main objective of this thesis is the characterization of mechanical and fracture behaviours, at both room and high temperature. To reach these goals, integrated techniques of Digital Image Correlation (DIC) present a strong potential to measure displacement fields, analyze tests and identify mechanical properties. Based on different mechanical tests analyzed by 2D and 3D-DIC, an identification methodology is developed and applied on the porous ceramic made of aluminium titanate for Diesel particulate filters. First, bending tests at room temperature highlight the damageable behaviour of this microcracked ceramic. Some specific basis functions for bending tests are built to measure by 2D-DIC the global kinematics and the neutral axis position. A damage law is identified to describe the asymmetry between behaviours in tension and compression. This identification approach is also applied at high temperature, where the mechanical behaviour is non-linear because of the microcracks and the silicate secondary phase. A second approach of 2D-DIC, based on the Williams series, is applied to analyze notched bending tests and to identify the parameters governing the quasi-brittle fracture of the material at room temperature. The energies dissipated by the different damage modes are quantified thanks to a third 2D-DIC method based on the equilibrium gap method. At high temperature, the behaviour is also non-brittle, because of numerous toughening mechanisms near 800°C, among others reasons The double-torsion test is also analyzed since it enables to control the propagation of long cracks for thin and brittle specimens. A prototype is built to perform in situ tests analyzed by tomography X. Using 3D-DIC, it is possible to observe the evolution of the curvilinear crack front in the specimen thickness. Thanks to a X-FEM simulation, the stress intensity factors are calculated along the crack front to explain its propagation. These works have highlighted the important deformability and crack propagation resistance of this material at high temperature. These two properties might be the main reasons for the high thermomechanical resistance of Diesel particulate filters made of aluminium titanate. The identified laws at high temperature can be used for numerical simulations of filters during severe regenerations. More generally, techniques used in these works present a strong interest for the development of new ceramics made of aluminium titanate for filtration applications.


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