1 Détermination des facteurs d'intensité de contraintes KI, KII des essais de f
1 Détermination des facteurs d'intensité de contraintes KI, KII des essais de fissuration en dynamique du matériau composite verre/époxy, unidirectionnel, des éprouvettes de type CLS (Cracked Lap Shear) par la technique de Corrélation d'image et la modélisation d'Elément Finis. Anh Tuan TRANa, Joseph FITOUSSIa, Didier BAPTISTEa, François Hildb a. PIMM (Procédés et Ingénierie en Mécanique et Matériaux). ENSAM de Paris 151, boulevard de l'Hôpital, 75013 Paris b. LMT-Cachan ENC Cachan/CNRS-UMR 8535/Université Paris 6 61, avenue du Président Wilson F-94235 Cachan Cedex Résumé: La technique de corrélation d'images est une méthode appropriée pour la détermination des champs de déplacement de la surface des éprouvettes pendants les essais. Cette technique est appliquée dans les essais de fissuration en grande vitesse, avec les éprouvettes de type CLS (Cracked Lap Shear) en matériau composite verre/époxy unidirectionnel afin de déterminer les champs de déplacements de la surface. La modélisation d'éléments finis des essais est réalisée en introduisant les champs de déplacement comme les conditions aux limites aux bords de la zone de mesure par la Corrélation d'image. 2 1 Introduction: Le développement de l'industrie du matériau composite pose de la nécessité de mise en place la méthode de détermination les facteurs d'intensité de contraintes de la fissuration en grande vitesse de sollicitation (expliquer plus détaillé). Dans le cas particulier de composite verre/époxy, les éprouvettes de type CLS sont fabriqué au sein du labo LIM-ENSAM de Paris pour étudier le phénomène de propagation de la fissure sous l'action de type crash. A l'aide d'une caméra de grande vitesse, l'essai de fissuration en grande vitesse de sollicitation est filmé et les images de la procédure de rupture sont traitées afin d'identifier les champs de déplacement de la surface des éprouvettes pendant la propagation de fissure. Ces champs de déplacement sont introduits dans la modélisation d'éléments finis d'Abaqus sous forme des conditions aux limites aux bords de la zone. La procédure de fissuration est reconstruite par les champs de déplacement dans l'Abaqus et qui a montré une bonne précision par rapport ceux qui sont mesure par Corrélation d'image. A partir des champs de déplacement d'Abaqus, les valeurs de facteurs d'intensité de contraintes sont calculées par la méthode d'intégration des contours. 2 Procédure expérimentale: Des essais de fissuration dynamique sous l'effet de traction à grande vitesse sur des éprouvettes de type CLS des matériaux composites verre/epoxy ont été réalisés. La machine utilisée est du type TGV(Traction à Grande Vitesse) de la marque de Schenk Hydroplus VHS 5200. Sa capacité maximale est de 50kN en force appliquée, avec une gamme de sollicitation pouvant aller jusqu'à 20m/s. La vitesse de déplacement utilisé da cette gamme des essais est constante et égale à 0,5 m/s. Le système hydrodynamique du vérin assure la même valeur de vitesse de déplacement imposée pendant les essais. La caméra à grande vitesse « FASTCAM-APX RS High-Speed Video Camera System » permet la visualisation de la propagation de la fissure avec une bonne qualité d’image. La caméra possède un capteur 10 bits CMOS avec une taille de chaque pixel de 17µm et 1024 pixels de chaque côté du capteur. L’obturateur électronique varie de 16,7 ms jusqu’à 2µs. La caméra est équipée un objectif SIGMA macro 105 mm F2, 8. La mise au point minimale est 31,3 cm. Le processus de la fissuration sous l'action du choc de l'éprouvette est filmé par la caméra et les images sont ensuite post-traitées par un algorithme de corrélation d'images Correli (Hild 2002) qui détermine les champs de déplacements dans la zone observée. Les éprouvettes de type de fissuration en mode mixte I, II en géométrie CLS ont pour longueur L=120mm, l1=25mm, l2=64mm, largeur B= 20mm, b1=14mm, épaisseur h1=3mm, h2=5mm. La préfissure a une longueur initiale lo égale à 19mm (figure 1). Le matériau utilisé est composite unidirectionnel verre/epoxy qui a les caractères spécifiques instroduits dans le tableau suivant: E1(N/m2) E2(N/m2) E3(N/m2) η12 η13 η23 G12(N/m2) G13(N/m2) G23(N/m2) 4,25063E10 1,46588E10 1,46588E10 0,110508 0,110508 0,484242 5,38786E9 5,38786E9 4,93814E9 Tableau 1: Les caractères du matériau composite. Figure 1: Eprouvette de type CLS (Cracked Lap Shear) 3 3 Corrélation d'image numérique: 3.1 Principe: La méthode de corrélation d'images permet de déterminer le champ de déplacement entre deux instants d'acquisition d'une image [1]. Le principe de base de la corrélation d'images numériques bidimensionnelle pour l'obtention d'une mesure de déplacement consiste à faire coïncider un point de l'image prise lors d'un chargement. L'appariement point par point, entre les images originale et déformée, permet de mesurer les déplacements. Pour chaque image, corrélation d'images numérique construit une grille virtuelle appelée grille de corrélation ou ROI (Region of Interest) de taille mxn sur la zone de traitement de la surface du matériau. Le déplacement en chaque point de la ROI correspond à la valeur moyenne du déplacement d'une "imagette" appelée par la suite ZOI. Chaque ZOI a pour la taille l x l pixels et est espacée de δ pixels. Chaque pixel de la ZOI est caractérisée par un niveau de gris cij, et C représente alors le centre de celle-ci [1]. Le but de la Corrélation d'images consiste à retrouver la correspondance d'une ZOI entre deux images prises à deux instants différents. Le déplacement d'une ZOI par rapport à celle d'image de référence correspond à un décalage de l'intensité du signal numérisé par une caméra CCD. La construction de la grille de corrélation et la résolution du système dépendent directement de la distribution des niveaux de gris. Les performances du système d'acquisition utilisée interviennent également (en particulier la dynamique du capteur, le rapport signal/bruit). Cette distribution est liée à la texture du matériau qui doit présenter une variation large de la répartition des cij afin que les ZOI considérées avant et après déplacement puissent être appariées [1]. 4 Essai de fissuration en mode CLS à la vitesse de sollicitation de 0,5m/s: Un essai est réalisé à la vitesse de sollicitation de 0,5m/s afin de filmer l'évolution de la surface autour de la tête de la fissure et de la zone de propagation de fissure. Le mouchetis est bien déposé à la surface pour avoir suffisamment d'un nombre de gris. La fissuration a duré pendant 0,3.10-2 s, et son processus d'évolution de l'application de la force à la rupture a été filmé par une dizaine images. La figure 3 présente 2 images à 2 instants différents, correspondantes à l'état initial de la surface (non chargé) et à l'instant de la rupture de l'éprouvette. Dans la deuxième image, la fissure a apparu et la zone filmée est décalée par rapport la première image. 4.1 Champs de déplacement mesurés par Corrélation d'image: A l'aide de Corrélation d'images, on identifie les champs de déplacement de toutes les images filmée pendants le processus de fissuration. Figure 2: Champs de déplacement mesurés par Corrélation d'image à la fin de fissuration (en pixels) Ces champs sont peut être numérisés par les courbes de déplacement en nœuds de ROI, comme dans les courbes suivantes. 4 Champs de déplacement U1_Correlimr -0.0004 -0.00035 -0.0003 -0.00025 -0.0002 -0.00015 -0.0001 -0.00005 0 0 5 10 15 20 25 mm Déplacement(m) L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10 L11 L12 Champs de déplacement U2_Correlimr 0 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025 0.0003 0.00035 0.0004 0.00045 0 5 10 15 20 25 mm Déplacement(m) L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10 L11 L12 Figure 3: Champs de déplacement mesurés par Corrélation d'image 4.2 Champs de déplacement modélisés par Eléments Finis: A partir du ROI, on cherche une zone plus petite (le rectangle vert) où on se trouve qu'il n'y a pas de perturbations de champs de déplacement mesurés par Corrélation d'images. Les nœuds du ROI aux bords de ce rectangle sont réintroduits dans la modélisation numérique comme les conditions aux limites. Autrement dit, le rectangle vert est modélisé par élément finis en utilisant les conditions aux limites aux bords obtenues des mesures de champs de Corrélation d'images. Figure 4: Zone de modélisation dans Abaqus La modélisation numérique est réalisée avec les conditions aux limites aux bords de la zone, ceux qui sont identifié par Corrélation d'images. Les caractères anisotropiques du matériau composite verre/époxy sont respectés. Le comportement du matériau est élastique-fragile et la durée de sollicitation est aussi reprise de la réalité. La longueur de la fissure située dans la zone de modélisation est variée en plusieurs valeurs différente, en changéant de 9,712mm à 20,638 avec l'escale de 1,214mm (correspondante à une carrée de ROI). Cette longueur est définie de l'extrémité gauche du rectangle vert. Le maillage est construit sous forme de ROI et en utilisant les éléments de la dimension du carré de ROI. Les courbes suivantes introduisent les champs de déplacement modélisés avec une longueur de la fissure de 14,568 mm. 5 Champ de déplacement U1_Eléments finis -0.0004 -0.00035 -0.0003 -0.00025 -0.0002 -0.00015 -0.0001 -0.00005 0 0 5 10 15 20 25 mm Déplacement (m) Série1 Série2 Série3 Série4 Série5 Série6 Série7 Série8 Série9 Série10 Série11 Série12 Champ de déplacement U2_Elément finis 0 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025 0.0003 0.00035 0.0004 0.00045 0 5 10 15 20 uploads/Voyage/ determination-des-facteurs-d-x27-intensite-de-contraintes-ki-kii-des-essais-de-fissuration-en-dynamique-du-materiau-composite-verre-epoxy-unidirectionnel-des-eprouvettes-de-type-cls-cracked-lap-shea.pdf
Documents similaires
-
28
-
0
-
0
Licence et utilisation
Gratuit pour un usage personnel Attribution requise- Détails
- Publié le Apv 11, 2021
- Catégorie Travel / Voayage
- Langue French
- Taille du fichier 0.2296MB