Towards the localization and characterization of defects based on the Modified error in Constitutive Relation : focus on the buckling test and comparison with other type of experiments.

par Elena Barbarella

Thèse de doctorat en Mécanique des solides

Sous la direction de Olivier Allix.

Le président du jury était Christophe Binétruy.

Le jury était composé de Olivier Allix, Christophe Binétruy, Marc Bonnet, Raimund Rolfes, Federica Daghia, Thomas Jollivet, Christian Fagiano.

Les rapporteurs étaient Marc Bonnet, Raimund Rolfes.

  • Titre traduit

    Vers la localisation et la caractérisation des défauts par la méthode de l’erreur en relation de comportement modifiée : exploitation des essais de flambage et comparaison avec d’autres types d’essais.


  • Résumé

    Des nombreuses industries composites cherchent à étendre le champ d'application des composites structuraux à fibres continues pour d'autre marché que l'aéronautique. Être compétitif sur ces marchés potentiels, tel l'automobile, implique de se conformer à des contraintes différentes; de coût, de temps de mise en œuvre, de trace écologique. Dans ce cadre les résines thermodurcissables sont remplacées par des résines thermoplastiques permettant des temps de cycle cours. Ces temps de cycle cours favorisent l'apparition de défauts potentiellement important et une question récurrente dans ce cadre est: Comment traiter des défauts? Un des aspects de cette question est celui de la détection et de la caractérisation des défauts. L'approche actuelle est celle des techniques non destructives. Celles ci sont longues, coûteuses et complexes et apparaissent donc mal adaptées aux contraintes de coûts et de temps caractéristique de la plupart des produits grands diffusions. Ce problème a motivé ce travail de thèse: est-il possible de détecter et d'estimer l'effet des défauts sans avoir recours à des techniques d'essais non destructifs complexes et coûteuses? Une réponse acceptable pourrait conduire à moins de précision, mais devrait fournir des informations quantitatives suffisantes pour les applications. La voie étudiée dans cette thèse est celle de l'exploitation par approches inverse d'essais mécaniques statiques suivis par mesure de champs par corrélation d'images numériques. Seuls la localisation et la caractérisation de grands défauts est visée. Des essais de flambement ont été choisis en raison de leur sensibilité supposée aux défauts. Parmi les approches inverses, nous nous sommes concentrés sur la méthode de l'erreur en relation de comportement modifiée (MCRE). En effet cette méthode a, par le passé, montrée de très bonnes propriétés de localisation dans le cas d'essais de vibrations couvrant plusieurs fréquences propres. En vue d'obtenir une formulation simple et rapide nous avons privilégié une exploitation approchée des essais par l'intermédiaire d'une approche linéarisée du flambage. Une extension de la MCRE dans ce cadre a été proposée. Cette formulation pose, notamment la difficulté de traiter des résultats expérimentaux qui se présentent non pas sous la forme d'une réponse de flambage pure mais, en raison des défauts géométriques, d'une réponse non-linéaire dés le début des essais. Pour essayer de contourner cette difficulté une exploitation des essais au moyen du diagramme de Southwell a été utilisée. Elle permet, au moins pour des éprouvettes élancées, de déterminer la charge critique théorique d'une éprouvette sans défauts géométriques mais avec défauts matériels. La stéréo corrélation d'images numériques (StereoDIC) est exploitée pour reconstruire la déformée la forme de l'échantillon pendant le test. Les intérêts et les limites de la méthodologie sont discutés sur la base d'essais numériques et l'essai flambage est comparé aux essais de traction, flexion ou de vibration. Il est montré que l'exploitation d'essais de flambage par l'approche proposée est efficace au moins dans le cas d'imperfections géométriques modérées. Finalement la méthode est exploitée dans le cas d'essais expérimentaux à la fois pour un spécimen presque parfait et pour une pièce défectueuse, où une zone d'ondulation de la fibre est introduite. Les résultats obtenus sont encourageants.


  • Résumé

    Composite materials are nowadays extending their operational field to industrial applications other than aeronautics. New potential markets, such as automotive, imply the need to comply with different constraints; reduced cost and production time become more binding, taking the lead over the complete absence of defects. The drawback to fast automatized procedure is the higher defectiveness of the components produced, a deeper control of the part is therefore needed. Non-destructive techniques are expensive both in terms of cost and time and therefore the main question we tried to answer in this thesis is: is it possible to detect and estimate the effect of defects without resorting to the complex and time-consuming NDT techniques? An acceptable answer may potentially lead to a lower precision but should guarantee sufficient quantitative information for these applications. The thesis aims at exploring possibilities to use classical mechanical test combined with Digital Image correlation and inverse procedure to localize and characterized possible (large) defects. Buckling tests have been chosen at first due their supposed sensitivity to defects. Among the possible inverse technique, we have chosen to extend the so-called Modified Error in Constitutive Relation to the case of buckling because, in the case of vibration tests performed with several frequencies, the MCRE proved to have very good localization properties. The dedicated formulation of the MCRE for linearized buckling requires a post-processing of the non-linear experimental results. The Southwell plot is here employed to reconstruct the eigenvalue, the critical load, of the equivalent eigenvalue problem (i.e. the solution of the problem with material defect and no geometrical ones) and the Stereo Digital Image Correlation (StereoDIC) is exploited to reconstruct the deformed shape of the specimen during the test, used as mode. The interests and limits of the methodology are discussed notably through the comparison of numerical results using the MCRE in case of traction, flexion or vibration tests. It is shown that the linearized buckling based MCRE technique proves well for pseudo-experimental measurements at least for moderate geometrical imperfections. In addition first experiments have been performed; the defects are characterized from real experimental specimens, both for a nominally perfect specimen and for a defective one, where a zone of fibre waviness is induced. Stereo Digital Image Correlation (StereoDIC) is exploited to reconstruct the deformed shape of the specimen during the test, this shape being used as an approximation of the buckling mode. While on the first one no defects are detected, on the flawed specimen the localized area is in reasonable agreement with the area affected by fibre undulations.


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