A novel methodology for high strain rate testing using full-field measurements and the virtual fields methods

par Haibin Zhu

Thèse de doctorat en Systèmes Mécaniques et Matériaux

Sous la direction de Fabrice Pierron.

Soutenue le 10-03-2015

à Troyes , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Troyes, Aube) , en partenariat avec CSC (China Scholarship Council) (Organisme gouvernemental étranger) .

Le président du jury était Nadia Bahlouli.

Le jury était composé de Fabrice Pierron, Nadia Bahlouli, Han Zhao, Bertrand Langrand, Eric Markiewicz, Manuel François, Pascal Lava.

Les rapporteurs étaient Han Zhao, Bertrand Langrand.

  • Titre traduit

    Une méthodologie originale d’essai dynamique avec mesures plein champ et méthode des champs virtuels


  • Résumé

    Ce travail se concentre sur le développement d'une procédure expérimentale d’essai mécanique à haute vitesse de déformation de matériaux. La nouveauté de ce travail est l'utilisation de champs d’accélération mesurés comme cellule de force, évitant la nécessité des mesures des forces externes. Pour identifier les paramètres constitutifs des matériaux testés à partir des mesures de champs, la méthode champs virtuels (MCV) basé sur le principe des puissances virtuelles (PPV) est utilisée. En dynamique, avec la MCV, il est possible de définir des champs virtuels qui mettent à zéro les puissances virtuelles des forces externes. Au lieu de cela, l'accélération obtenue grâce à une double dérivation temporelle des déplacements peut être utilisée comme une cellule de force. Enfin, les paramètres élastiques peuvent être identifiés directement à partir d’un système linéaire qui se construit en réécrivant le PPV avec autant de champs virtuels indépendants que d’inconnues à identifier. Cette procédure est d'abord validée numériquement par des simulations éléments finis puis mise en œuvre expérimentalement en utilisant deux configurations d’impact différentes. Les résultats confirment que effets inertiels peuvent être utilisés pour identifier les paramètres des matériaux sans la nécessité de mesurer la force d’impact, et sans exigence de déformations uniformes comme dans les procédures actuelles basées sur le montage de barres d’Hopkinson. Ces nouveaux développement ont le potentiel de mener à de nouveaux essais standards en dynamique rapide


  • Résumé

    This work focuses on the development of a novel experimental procedure for high strain rate testing of materials. The underpinning novelty of this work is the use of the full-field acceleration maps as a volume distributed load cell, avoiding the need for impact force measurement. To identify the constitutive parameters of materials from the full-field data, the Virtual Fields Method (VFM) based on the principle of virtual work is used here. In dynamics, using the VFM, it is possible to define particular virtual fields which can zero out the virtual work of the external forces. Instead, the acceleration obtained through second order temporal differentiation from displacement can be used as a load cell. Finally, the elastic parameters can be identified directly from a linear system which is built up through rewriting the principle of virtual work with as many independent virtual fields as unknowns. Thus, external force measurement is avoided, which is highly beneficial as it is difficult to measure in dynamics. This procedure is first numerically validated through finite element simulations and then experimentally implemented using different impact setups. Both results confirm that inertial effects can be used to identify the material parameters without the need for impact force measurements, also relieving the usual requirements for uniform/uniaxial stress in SHPB like test configurations. This exciting development has the potential to lead to new standard testing techniques at high strain rates


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