Etude de l'évolution de la température locale des matériaux bitumineux due à la dissipation énergétique, par modélisation hétérogène biphasée

International audienceLes enrobés bitumineux sont des matériaux hétérogènes, composés d'une matrice bitumineuse ayant un comportement viscoélastique, et des granulats possédant un comportement élastique. Le comportement de mélange final est influencé par le comportement du liant bitumineux qui est un matériau fortement thermosensible. Lors d'un essai de fatigue, les sollicitations cycliques font apparaître des dissipations énergétiques, ce qui cause une production de chaleur et par conséquent une diminution de module de rigidité du liant. Dans ce travail, à l'aide d'une modélisation numérique hétérogène par la méthode des éléments finis, la densité d'énergie dissipée localement dans la matrice ainsi que l'échauffement local, lors d'un essai de fatigue, sont calculés. Le résultat de cette modélisation montre que la densité d'énergie dissipée dans le film mince peut être jusqu'à 30 fois plus élevée que la valeur moyenne homogénéisée. Une évolution de la température plus importante à cet endroit peut être observée au début de l'essai et qui disparaitra au cours de temps grâce au transfert de chaleur vers les granulats

Energy release rate evaluation from marks tracking method and J-integral

L’utilisation des méthodes dites globales en mécanique de la rupture permet de contourner les aspects liés au caractère singulier des champs mécaniques définis dans le voisinage proche de la pointe de fissure. Formulés sur les principes d’équilibre énergétique de la thermodynamique ces outils d’analyse permettent de réaliser une définition et une caractérisation des paramètres de fissuration en y intégrant le comportement global du milieu et des champs mécaniques provenant d’une zone lointaine non influencée par la forte singularité présente en pointe de fissure. Une autre particularité de ces méthodes réside dans le fait qu’elles peuvent être couplées assez facilement avec des méthodes expérimentales de champ basées sur des techniques optiques de mesure comme le suivi de marqueurs. Dans cette étude la mesure par suivi de marqueurs est utilisé comme une « méthode de champ » qui permet d’obtenir des champs mécaniques lointains afin d’estimer l’état énergétique en pointe de fissure à partir des approches énergétiques type intégrales invariantes. L’étude concerne une éprouvette en bois de Douglas stabilisée à 11% d’humidité interne et sollicitée en mode d’ouverture dans une configuration d’essai de type « Wedge Splitting ». La stratégie adoptée dans le calcul du taux de restitution d’énergie consiste à faire une estimation du champ de déplacement et implicite du tenseur gradient à partir des mesures expérimentales par la technique optique du suivi de marqueurs. Ensuite, le tenseur des contraintes peut être évalué à partir d’une approche analytique via les équations constitutives et la matrice rigidité du matériau. Dans notre étude les contraintes sont calculées à partir du champ de déplacement expérimental que nous avons implémenté dans un modèle éléments finis

Mixed-mode fracture characterization by coupling digital images correlation with finite elements method

Le développement des techniques optiques de champ permettent aujourd’hui une observation et une estimation locale et/ou globale du comportement en fissuration des matériaux. A une l’échelle d’observation « globale » les mesures de champ permettent via des critères énergétiques de caractériser le processus de fissuration à partir des données issues d’une zone appelle « zone des champs lointains » qui n’est pas conditionnée par la singularité qui domine le voisinage proche de la pointe de fissure. Dans ce contexte, nous nous proposons d’évaluer le taux de restitution d’énergie à partir un nouveau formalisme permettant de caractériser les paramètres de fissuration en mode mixte (mode I + II) par un couplage entre les deux approches de la mécanique de la rupture . Basé sur la complémentarité entre des mesures expérimentales par la corrélation d’imagés numériques et des modélisations par éléments finis le formalisme proposé permet d’estimer le taux de restitution d’énergie en faisant abstraction des paramètres de la loi constitutive du matériau. Dans le cadre de notre démarche à partir des mesures expérimentales par corrélation d’images numériques et optimisée grâce à une procédure d’ajustement, l’état cinématique au voisinage de la pointe de fissure sera évalué par un Facteur d’Intensité d’Ouverture de la Fissure. En complément, par une approche numérique l’état des contraintes sera évalué par une modélisation éléments finis afin de calculer le facteur d’intensité de contrainte. Limité pour l’instant à des fissures stationnaires et à des modèles de comportements isotropes ou orthotropes élastiques linéaires le formalisme proposé permet également l’identification des paramètres de la loi constitutive du matériau

Mixed-Mode Crack Tip Parameters Characterization from Image Correlation Technique

This paper focuses on the application of the digital image correlation (DIC) technique to determine the mixed-modes stress intensity factors (SIF), and stress opening intensity factors (SOIF) for cracks in isotropic media. To predict these crack tip parameters from DIC, the asymptotic expansion of the crack-tip displacement field is required. Over-deterministic nonlinear least-squares analyses of crack-tip displacements are used to obtain the best fit theoretical displacement field from which mixed-mode fracture parameters are evaluated

Numerical Investigation to Quantify the Rate of Damage within Mortar Bituminous Materials: Modeling of Cracks Initiation and Propagation

Asphalt concrete is highly used to construct pavement layers in the civil engineering field. It is defined as a complex medium composed of aggregates (inclusions), mortar (matrix) and air void. The mortar itself is a mixture of fillers, sand and bitumen. Furthermore, mortar is the phase that links the coarse aggregates. In general, fracture of asphalt concrete occurs within mortar or among aggregate-mortar interface. Therefore, two types of fracture can be identified, i.e., adhesive and cohesive damages. The first type is occurred among the interface of aggregate-mortar. The second is taken place within the mortar. This paper presents numerical investigations of the damage initiation and stiffness degradation within the asphalt concrete matrix. Numerical simulations were carried out to investigate, firstly, how damage is initiated and developed, and then, to simulate how cracks can be initiated and propagated within this material. Cohesive finite elements method was adopted to simulate fracture. For adhesive damage, the model was represented by one rectangular aggregate that is linked to the asphalt concrete thanks to a thin layer of the mortar. For cohesive damage, the model was considered as a thick layer of the mortar in between two coarse aggregates. The applied loading was derived from the speed of traffic vehicle. A comparative analysis between four mortars was conducted. The effect of loading and the type of mortar on damage initiation and stiffness degradation will be shown. Moreover, the initiation and propagation of cracks as function of loading and stiffness modulus will be illustrated

On the equivalence of strong formulations for capacitated multi-level lot sizing problems with setup times

Several mixed integer programming formulations have been proposed for modeling capacitated multi-level lot sizing problems with setup times. These formulations include the so-called facility location formulation, the shortest route formulation, and the inventory and lot sizing formulation with (l,S) inequalities. In this paper, we demonstrate the equivalence of these formulations when the integrality requirement is relaxed for any subset of binary setup decision variables. This equivalence has significant implications for decomposition-based methods since same optimal solution values are obtained no matter which formulation is used. In particular, we discuss the relax-and-fix method, a decomposition-based heuristic used for the efficient solution of hard lot sizing problems. Computational tests allow us to compare the effectiveness of different formulations using benchmark problems. The choice of formulation directly affects the required computational effort, and our results therefore provide guidelines on choosing an effective formulation during the development of heuristic-based solution procedures

Etude de la variation des champs mécaniques et thermique dans le béton bitumineux lors de chargement cyclique

Les enrobés bitumineux sont des matériaux hétérogènes composés d'une matrice bitumineuse, ayant un comportement viscoélastique, et des granulats possédant un comportement élastique. Le comportement du mélange final est influencé par le comportement du liant bitumineux qui est un matériau fortement thermosensible. Lors d'un essai de fatigue, les sollicitations cycliques font apparaître des dissipations énergétiques, ce qui cause une production de chaleur et par conséquent une diminution de module de rigidité du liant. Dans ce travail, à l'aide d'une modélisation numérique hétérogène par la méthode des éléments finis, la densité d'énergie dissipée localement dans la matrice ainsi que l'échauffement local, lors d'un essai de fatigue, sont calculés. Le résultat de cette modélisation montre que la densité d'énergie dissipée dans le film mince peut être jusqu'à 30fois plus élevée que la valeur moyenne homogénéisée

Characterisation of a functional rat hepatocyte spheroid model.

Many in vitro liver cell models, such as 2D systems, that are used to assess the hepatotoxic potential of xenobiotics suffer major limitations arising from a lack of preservation of physiological phenotype and metabolic competence. To circumvent some of these limitations there has been increased focus on producing more representative 3D models. Here we have used a novel approach to construct a size-controllable 3D hepatic spheroid model using freshly isolated primary rat hepatocytes (PRH) utilising the liquid-overlay technique whereby PRH spontaneously self-assemble in to 3D microtissues. This system produces viable spheroids with a compact in vivo-like structure for up to 21 days with sustained albumin production for the duration of the culture period. F-actin was seen throughout the spheroid body and P-glycoprotein (P-gp) and multidrug resistance-associated protein 2 (MRP2) transporters had polarised expression on the canalicular membrane of hepatocytes within the spheroids upon formation (day 3). The MRP2 transporter was able to functionally transport 5 μM 5-chloromethylfluorescein diacetate (CMFDA) substrates into these canalicular structures. These PRH spheroids display in vivo characteristics including direct cell-cell contacts, cellular polarisation, 3D cellular morphology, and formation of functional secondary structures throughout the spheroid. Such a well-characterised system could be readily exploited for pre-clinical and non-clinical repeat-dose investigations and could make a significant contribution to replace, reduce and refine the use of animals for applied research

Impact of cell types and culture methods on the functionality of in vitro liver systems - A review of cell systems for hepatotoxicity assessment.

Xenobiotic safety assessment is an area that impacts a multitude of different industry sectors such as medicinal drugs, agrochemicals, industrial chemicals, cosmetics and environmental contaminants. As such there are a number of well-developed in vitro, in vivo and in silico approaches to evaluate their properties and potential impact on the environment and to humans. Additionally, there is the continual investment in multidisciplinary scientists to explore non-animal surrogate technologies to predict specific toxicological outcomes and to improve our understanding of the biological processes regarding the toxic potential of xenobiotics. Here we provide a concise, critical evaluation of a number of in vitro systems utilised to assess the hepatotoxic potential of xenobiotics

Elaboration de matériaux poreux géopolymères à porosité multi-échelle et contrôlée

Ce travail est basé sur l élaboration, la caractérisation, et le contrôle de la porosité d un matériau poreux à matrice géopolymérique, synthétisé à partir du mélange de métakaolin, d une solution de silicate alcaline, d hydroxyde alcalin, et de fumée de silice comme agent porogène. Ce mélange donne lieu à une mousse avec production continue de dihydrogène in-situ au sein d un gel visqueux évolutif. Le contrôle de la porosité à cette valeur élevée de pH est régi par un équilibre entre des cinétiques de réactions de polycondensation (consolidation) et de production de gaz. L influence des différents paramètres est testée par la caractérisation du réseau poreux obtenu. La conductivité thermique d échantillons homogènes est mesurée par fluxmètre et par fil chaud. Ces valeurs sont discutées à partir de l analyse de la microstructure et des différents modèles analytiques issus de la littérature. Une démarche numérique inverse est utilisée pour retrouver la valeur de conductivité thermique du squelette solide s du matériau. En effet il est difficile d obtenir un matériau pseudo-dense pour une même composition. Un calcul par éléments finis, avec une méthode d homogénéisation, est appliqué sur des Volumes Elémentaires Représentatifs construits à partir des données expérimentales. La valeur de s est alors évaluée entre 0,98 et 1,12 W.m-1.K-1. Les mousses ont des taux de porosité compris entre 65 et 85% et des valeurs de conductivités thermiques comprises entre 0,12 et 0,35 W.m-1.K-1, ce qui en fait un matériau isolant.This work is focused on the preparation, the characterization, and the control of the porosity in geopolymer foams, synthesized from the mixing of metakaolin, a alkali silicate solution, alkali hydroxide, and silica fume as the pore forming agent. This mixture results in a foam in which hydrogen gas is produced continuously in an evolutive viscous gel. The control of porosity, in consideration of the very high value of pH, requires the establishment of an equilibrium between the kinetics of polycondensation reactions (hardening) and the kinetics of gassing. The influence of different parameters is studied through the characterization of the obtained porous network. The thermal conductivity of the homogeneous samples is measured with a fluxmeter and also with a hot wire method. The values obtained are then discussed in relation to the microstructure and relevant analytical models of the literature. An inverse numerical approach is used to find the thermal conductivity value of the skeleton of the foam s. In fact, it is difficult to prepare a material with a low pore volume fraction from the same composition. A finite element calculation, coupled with a homogenization method, is applied on Representative Volume Elements constructed in relation with the experimental data. The value of s is then calculated between 0.98 and 1.12 W.m-1.K-1. The foams have pore volume fractions values between 65 and 85% corresponding to thermal conductivity values between 0.12 and 0.35 W.m-1.K-1, yielding a good material for thermal insulation.LIMOGES-BU Sciences (870852109) / SudocSudocFranceF