Stratégie de couplage expérimentation/modélisation dans les matériaux hétérogènes. Identification de propriétés mécaniques locales

Experimentation/modelisation coupling strategies in heterogeneous materials. Identification of local elastic mechanical properties.

• Auteur / Autrice : Louis Pétureau
• Direction : Fabrice Brémand, Pascal Doumalin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Solides, des Matériaux, des Structures et des Surfaces
• Date : Soutenance le 07/12/2018
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) - Institut Pprime / PPRIME
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Wattrisse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Brémand, Pascal Doumalin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Noël Périé, Evelyne Toussaint

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images -- Techniques numériques

Éléments finis, Méthode des

Milieux hétérogènes (physique)

Élasticité linéaire

Mots clés libres

Identification

Élasticité linéaire isotrope

Corrélation d'images numériques

Corrélation d’images volumiques

Méthode des éléments finis

Matériaux hétérogènes.

Isotropic linear elasticity

Digital image correlation

Digital volume correlation

Finite element method

Heterogeneous materials.

Résumé

Le développement de méthodes d’identification de paramètres de lois de comportement de matériaux est devenu primordial pour avoir accès à la connaissance complète du comportement. En effet, les méthodes de mesure optiques, comme la Corrélation d’Images Numériques, permettent d’obtenir les quantités cinématiques de la relation de comportement sous forme de champs de vecteurs. En revanche, les contraintes ne sont généralement pas mesurables et il est nécessaire d’identifier les paramètres de la loi de comportement du matériau considéré pour y avoir accès. Plusieurs méthodes ont vu le jour et permettent de répondre à cette problématique mais la plupart d’entre elles supposent une homogénéité du matériau. Ce mémoire traite de l’application de certaines de ces méthodes, notamment la méthode de l’écart à l’équilibre (MEQ) et la méthode de recalage de modèle éléments finis (MREF), dans des matériaux hétérogènes à microstructure complexe où les propriétés mécaniques évoluent spatialement dans le volume. L’objectif est d’identifier ces propriétés mécaniques locales qui régissent la cinématique mesurée de tels matériaux dans le cadre de l’élasticité linéaire isotrope. Dans un premier temps, les deux méthodes citées sont décrites, implémentées et comparées sur des cas simulés en 2D. La MREF est préférée à la MEQ car plus robuste vis-à-vis des incertitudes de mesure. Basée sur un formalisme itératif, une parallélisation de l’algorithme a été opérée pour diminuer le coût en temps de la méthode. Des expérimentations dans le plan sur des éprouvettes en polyuréthane où les hétérogénéités sont maîtrisées ont permis de valider la méthode. Enfin, deux applications en 3D sur un matériau en mousse polyuréthane et un composite à base de fibres de bois démontrent l’intérêt d’une telle méthode pour l’identification de propriétés mécaniques locales. La mise en évidence d’une relation entre les propriétés locales identifiées et les propriétés locales de la microstructure de ces matériaux est effectuée.

The development of identification methods of material constitutive equation parameters has become fundamental to completely know the mechanical behavior. Indeed, optical methods, such as Digital Image Correlation, allows to get kinematics quantities of the constitutive equation as vectors fields. But, stresses are usually not available experimentally and one has to identify constitutive equation parameters to compute them. Several methods have been developed and answer to that problematic but most of them suppose the materials as homogeneous. This memoir is about the application of some of these methods, such as the equilibrium gap method (EGM) and the finite element model updating method (FEMU), in the case of heterogeneous materials with complex structures where mechanical properties vary spatially in the volume. The objective is to identify these local mechanical properties which rule the measured kinematics of such materials considering the isotropic linear elasticity. Firstly, both methods are detailed, implemented and compared on 2D simulated cases. The FEMU method is preferred because it is more robust in the presence of noisy data. Based on an iterative process, a parallelisation of the algorithm is achieved in order to reduce the cost of the method. In-plane experiments on polyurethane samples where heterogeneities are controlled have validated the method. Finally, two 3D applications on a polyurethane foam material and a wood-based fibrous composite have demonstrated the interest of this approach to identify local mechanical properties. The highlighting of a relationship between identified local properties and microstructural properties of these materials is made.