Follow-up of a panel restoration procedure through image correlation and finite element modeling

International audienceResidual stress estimation is an important question for structural integrity. Since residual stresses are self-balanced stress fields, a classical way to obtain information on them is to remove a part of the structure, and observe the structure displacement field arising from the stress redistribution. The hole- drilling method is such an approach. In some cases, as for the present one concerning a painted panel of cultural heritage, the hole-drilling method is not suited (a structure with a complex geometry, few tests allowed) but one can take advantage of structural modifications if they are monitored (here, a restoration act). We therefore describe in this article a model updating approach, focusing on the residual stress estimation and not on the material parameter identification. This study couples an optical non-invasive shape measurement (digital image correlation, using a projected speckle pattern on the painted panel, with luminance compensation) and a numerical approach (3D finite elements) for the model updating. The 3D stereo-correlation is used to measure a partial displacement field between three different states of the structure (at three different times of the restoration act). The numerical part concerns stress evaluation, once the model and the experiments are compared using a geometric mapping and a spatial projection of discrete fields. Using modeling and identification, the simulation is used to obtain the residual stresses in the panel, before and after the restoration

A unit-cell mesoscale modelling of biaxial non-crimp-fabric based on a hyperelastic approach

Understanding the mechanical properties of carbon fiber reinforcements is necessary for the simulation of forming processes. A unit-cell mesoscopic model provides a tool to implement virtual material characterizations which can be served as an input for macroscopic modelling, avoiding complex experimental tests and significantly reducing calculation time. Meanwhile, the occurrence of some local defects during the forming process, such as the gapping, would be easier to be detected through a mesoscopic approach. In this research, a novel mesoscale model for biaxial non-crimp fabric is developed based on the geometry measured from the results of X-ray tomography. A hyperelastic constitutive law is applied to the fiber yarns which are considered as a continuous medium. One type of unit-cell model is chosen and validated through a comparison with experimental tests and its in-plane shear behavior is studied

Modélisation du comportement dissipatif d'un renfort de composite à fibres continues

L'objectif principal est de déterminer un modèle décrivant le comportement dissipatif d'un renfort de composite à fibres continues soumis à de grandes déformations. Compte ? tenu des caractéristiques d'inextensibilités des fibres constituant le composite, le mode de dissipation suit donc une cinématique de cisaillement simple. Un essai de Picture Frame étant réalisé, il est alors observable que lors de la décharge, la contrainte décrit un retour par un trajet asymptotique. Plusieurs modèles existent pour approcher ce comportement asymptotique mais ne peuvent pas être appliqués dans ce cas particulier sans réduire la simplicité du modèle proposé. En effet, l'unique inconnue du modèle est l'angle de cisaillement plastique. Le couplage entre la décomposition de Green ? Naghdi et de Kröner ? Lee permet de définir l'ensemble des tenseurs fondamentaux uniquement dépendant de la configuration initiale qui est donc connue. Ainsi, pour conserver cette simplicité et décrire ce retour asymptotique, la théorie des dérivées fractionnaires, le modèle proposé par Prager ou encore Popov ne sont pas adaptés. L'objectif est donc d'utiliser le principe du modèle de Mroz en écrivant des lois d'évolutions uniquement dépendantes à l'angle de cisaillement plastique

Hygromechanical behavior of wood in cultural heritage : about the panel paintings curvature

Avant la généralisation des toiles vers le XVI-XVII ème siècle, le bois a servi de support à d’innombrables peintures qui constituent aujourd’hui une part importante, dans les musées et les églises notamment, de notre patrimoine culturel. Après plusieurs siècles d’existence, les planches servant de support aux panneaux peints sont très souvent courbées : cette courbure est généralement imputée à la présence unilatérale de la couche picturale,imposant des échanges asymétriques d’humidité entre le bois, matériau hygroscopique, et son environnement de conservation. Par ailleurs il existe dans ces déformations une forte contribution de l’orthotropie cylindrique du bois qui est une conséquence de la croissance des arbres. Enfin, l’historique des variations hygrométriques à proximité d’un panneau peint renvoie à l’étude plus générale du comportement thermo-hygro-mécanique différé du bois.Une compréhension d’ensemble de ces phénomènes doit permettre d’orienter des décisions difficiles de conservation, notamment celles relatives au déplacement des œuvres ou à la maîtrise des environnements dans les musées. Nous proposons dans ce travail une approche générale de mécanique du matériau et des structures bois appliquée aux panneaux peints. La méthode utilisée intègre des moyens expérimentaux en laboratoire et sur des œuvres in-situ, des méthodes numériques, et l’accent est mis sur le lien fort existant entre les aspects « comportement » propres au bois (anisotropie, couplages hygromécaniques, etc.) et les aspects de structure relatifs aux panneaux peints (débit des planches, efforts extérieurs dus à leur assemblage, etc.). Un outil de calcul basé sur la modélisation mécanique des plaques orthotropes est développé. Il prend appui sur un code préexistant de transfert de masse et de chaleur décrivant les mouvements d’eau dans le support. Ce code de calcul complet est utilisé notamment sur un cas d’étude : un panneau peint de 500 ans environ, en situation d’exposition dans une église.Until canvas became the most popular support medium in the 16th century, wood was used in numerous paintings which represent today a significant part of our cultural heritage,particularly in museums and churches. A few centuries later, wooden panel paintings exhibit cupping deformations: this cupping is generally interpreted as the consequence of asymmetrical moisture exchanges through panel thickness due to the painted layer. It is also known that wood growth rings and orthotropic orientation are possible causes ofdeformations due to drying. History of the climatic variations near the panel raises thecomplex question of time-dependant (thermo-hygro-mechanical) behavior of wood. Betterunderstanding of such behavior could help wood scientists and curators in taking decisions relating to panel transport or museum climate regulations. We suggest a general mechanical approach of this problem, dealing with both material (wood) and structure (panel) point ofview. The method includes experimental, theoretical and numerical aspects. Particular attention is put on interaction between wood material (anisotropy, hygromechanicalcouplings) and the structural level (sawing pattern of panel, joints between planks). Anumerical calculation tool is developed, based on orthotropic plate theory and existing heatand mass transfer formulation: numerical simulations are performed to discuss theconservation of a 500 years old wooden panel located in a French church

Hygromécanique du matériau bois appliquée à la conservation du patrimoine culturel

Until canvas became the most popular support medium in the 16th century, wood was used in numerous paintings which represent today a significant part of our cultural heritage, particularly in museums and churches. A few centuries later, wooden panel paintings exhibit cupping deformations: this cupping is generally interpreted as the consequence of asymmetrical moisture exchanges through panel thickness due to the painted layer. It is also known that wood growth rings and orthotropic orientation are possible causes of deformations due to drying. History of the climatic variations near the panel raises the complex question of time-dependant (thermo-hygro-mechanical) behavior of wood. Better understanding of such behavior could help wood scientists and curators in taking decisions relating to panel transport or museum climate regulations. We suggest a general mechanical approach of this problem, dealing with both material (wood) and structure (panel) point of view. The method includes experimental, theoretical and numerical aspects. Particular attention is put on interaction between wood material (anisotropy, hygromechanical couplings) and the structural level (sawing pattern of panel, joints between planks). A numerical calculation tool is developed, based on orthotropic plate theory and existing heat and mass transfer formulation: numerical simulations are performed to discuss the conservation of a 500 years old wooden panel located in a French church.Avant la généralisation des toiles vers le XVI-XVIIème siècle, le bois a servi de support à d'innombrables peintures qui constituent aujourd'hui une part importante, dans les musées et les églises notamment, de notre patrimoine culturel. Après plusieurs siècles d'existence, les planches servant de support aux panneaux peints sont très souvent courbées : cette courbure est généralement imputée à la présence unilatérale de la couche picturale, imposant des échanges asymétriques d'humidité entre le bois, matériau hygroscopique, et son environnement de conservation. Par ailleurs il existe dans ces déformations une forte contribution de l'orthotropie cylindrique du bois qui est une conséquence de la croissance des arbres. Enfin, l'historique des variations hygrométriques à proximité d'un panneau peint renvoie à l'étude plus générale du comportement thermo-hygro-mécanique différé du bois. Une compréhension d'ensemble de ces phénomènes doit permettre d'orienter des décisions difficiles de conservation, notamment celles relatives au déplacement des œuvres ou à la maîtrise des environnements dans les musées. Nous proposons dans ce travail une approche générale de mécanique du matériau et des structures bois appliquée aux panneaux peints. La méthode utilisée intègre des moyens expérimentaux en laboratoire et sur des œuvres in-situ, des méthodes numériques, et l'accent est mis sur le lien fort existant entre les aspects " comportement " propres au bois (anisotropie, couplages hygromécaniques, etc.) et les aspects de structure relatifs aux panneaux peints (débit des planches, efforts extérieurs dus à leur assemblage, etc.). Un outil de calcul basé sur la modélisation mécanique des plaques orthotropes est développé. Il prend appui sur un code préexistant de transfert de masse et de chaleur décrivant les mouvements d'eau dans le support. Ce code de calcul complet est utilisé notamment sur un cas d'étude : un panneau peint de 500 ans environ, en situation d'exposition dans une église

Analysing the hygromechanical behaviour of painted panels using various models

A painted wooden panel usually exhibits permanent curvatures as a result of the asymmetric moisture exchanges on both face. The mechanical interaction with the frame or reinforcements may have caused cracks in the wood. The paint layer, a complex composite of gesso and paints, is checked due to combined effect of its own aging and the underlying movements of the wood. Can these typical features be explained by models suggesting realistic scenarios, starting from the initially flat panel covered by an unchecked paint layer later submitted to centuries of microclimatic fluctuations? Are the same models able to predict the present behaviour of the panel subjected to monitored hygromechanical loading? How much of the aging process of the wood itself should be taken into account in the analysis? These questions, that address either the present condition or present behaviour of the object, are closely linked to each other and cannot be easily separated. They will be addressed using different types of models and experimental data sets available in literature or obtained through collaborative projects

Hygromécanique du matériau bois appliquée à la conservation du patrimoine culturel (étude sur la courbure des panneaux peints)

Avant la généralisation des toiles vers le XVI-XVII ème siècle, le bois a servi de support à d innombrables peintures qui constituent aujourd hui une part importante, dans les musées et les églises notamment, de notre patrimoine culturel. Après plusieurs siècles d existence, les planches servant de support aux panneaux peints sont très souvent courbées : cette courbure est généralement imputée à la présence unilatérale de la couche picturale,imposant des échanges asymétriques d humidité entre le bois, mate riau hygroscopique, et son environnement de conservation. Par ailleurs il existe dans ces déformations une forte contribution de l orthotropie cylindrique du bois qui est une conséquence de la croissance des arbres. Enfin, l historique des variations hygrométriques à proximité d un panneau peint renvoie à l étude plus générale du comportement thermo-hygro-mécanique différé du bois.Une compréhension d ensemble de ces phénomènes doit permettre d orienter des décisions difficiles de conservation, notamment celles relatives au déplacement des œuvres ou à la maîtrise des environnements dans les musées. Nous proposons dans ce travail une approche générale de mécanique du matériau et des structures bois appliquée aux panneaux peints. La méthode utilisée intègre des moyens expérimentaux en laboratoire et sur des œuvres in-situ, des méthodes numériques, et l accent est mis sur le lien fort existant entre les aspects comportement propres au bois (anisotropie, couplages hygromécaniques, etc.) et les aspects de structure relatifs aux panneaux peints (débit des planches, efforts extérieurs dus à leur assemblage, etc.). Un outil de calcul basé sur la modélisation mécanique des plaques orthotropes est développé. Il prend appui sur un code préexistant de transfert de masse et de chaleur décrivant les mouvements d eau dans le support. Ce code de calcul complet est utilisé notamment sur un cas d étude : un panneau peint de 500 ans environ, en situation d exposition dans une église.Until canvas became the most popular support medium in the 16th century, wood was used in numerous paintings which represent today a significant part of our cultural heritage,particularly in museums and churches. A few centuries later, wooden panel paintings exhibit cupping deformations: this cupping is generally interpreted as the consequence of asymmetrical moisture exchanges through panel thickness due to the painted layer. It is also known that wood growth rings and orthotropic orientation are possible causes ofdeformations due to drying. History of the climatic variations near the panel raises thecomplex question of time-dependant (thermo-hygro-mechanical) behavior of wood. Betterunderstanding of such behavior could help wood scientists and curators in taking decisions relating to panel transport or museum climate regulations. We suggest a general mechanical approach of this problem, dealing with both material (wood) and structure (panel) point ofview. The method includes experimental, theoretical and numerical aspects. Particular attention is put on interaction between wood material (anisotropy, hygromechanicalcouplings) and the structural level (sawing pattern of panel, joints between planks). Anumerical calculation tool is developed, based on orthotropic plate theory and existing heatand mass transfer formulation: numerical simulations are performed to discuss theconservation of a 500 years old wooden panel located in a French church.MONTPELLIER-BU Sciences (341722106) / SudocSudocFranceF

Comportement hygromécanique de panneaux en bois peints du patrimoine, Etude menée pour le LRMH et le C2RMF, bilan des travaux effectués en 2007

Un grand nombre de dommages observés couramment sur les panneaux peints trouvent leur origine et leur interprétation dans le comportement hygromécanique du bois : ce sont en grande majorité des problèmes de dégradation de la couche picturale, par fissuration ou par décollement. Combinée au comportement hygromécanique du bois, s‟ajoute l‟influence de la couche picturale, dont nous faisons l‟hypothèse qu‟elle se comporte comme une couche très peu perméable, créant de forts gradients dans l‟épaisseur du panneau peint. Les gradients d‟humidité dans l‟épaisseur, combinés aux variations d‟humidité après équilibrage, produisent des déformations complexes et multiples du tableau. L‟instrumentation des oeuvres en bois du patrimoine, le suivi de leurs déformations et de leur environnement d‟exposition, devraient nous aider dans la compréhension du matériau bois soumis à l‟épreuve du temps, et permettraient d‟étoffer des modèles de comportement déjà existant, pour introduire des méthodes de conservation préventive et généralisables certainement à d‟autres objets en bois du patrimoine. Pour parvenir à cet objectif, il est indispensable de collecter un grand nombre d‟informations sur le comportement du bois vieilli, et ce grâce aux panneaux peints, en recoupant des cas de conservation très divers. Dans ce document nous détaillons principalement deux études de panneaux peints conservés à Avignon, l‟un dans une église et l‟autre dans un hôtel particulier : nous présentons pour chacun les méthodes très diverses qui ont été mises en oeuvre, ainsi que les résultats partiels dont nous disposons aujourd'hui

Musical acoustics as learning support for engineers: examples of student achievements at mechanical engineering department - INSA Lyon

International audienceSince 2016 and the merger of two old departments, a new project is proposed to INSA Lyon students in first year ofthe mechanical engineering program (L3 in LMD system or Bachelor degree). It consists on a scientific and technicalproject of around 40 hours on classroom plus an equivalent time duration of personal work at home; it is supervisedby a pair of teachers. The idea is to insist on the abilities of thinking, analysing, well-defining, and resolvinga given scientific problem. To this end, we propose each year to six pairs of students to work on musical acousticsprojects. The principle is that the subject must be theorised and defined by the students without the help of theteacher, related to any field of musical acoustics, on experimental, theoretical or numerical skills. A long duration ofthe beginning of the project is dedicated to the definition of the scientific problem and objective, and to the clear exposureof a scenario to answer to them. One constraintconcerns the budget of eventual experimental campaigns:we privilege the use of a simple smartphone (and the sensors existing in it) to do the measurements. Some examplesof recent results on studied projects will be given and discussed. Examples of some of them would be: design andconception of metallic xylophone bars for given harmonic series helmholtz resonance of a classical guitar, modelingand measuring a Cajon, experimental and analytical study of the wolf note of a cello...--> Video of the presentation here : https://youtu.be/jf1-US1YWt

One-dimensional discrete formulation of a hygrolock model for wood hygromechanics

International audiencea new 1D discrete formulation of hygrolock models is proposed for modeling wood time-dependent behavior. This discrete formulation is compared to an integral formulation presented in a previously published paper. Simulations with various humidity cycles are performed under constant stress (creep) or constant strain (relaxation) using first a hygrolock spring and then a generalized Kelvin-Voigt model with a time-spectral distribution of hygrolocks springs. The discrete formulation presented here, based on original idea of mixed series/parallel rheological model, is shown to be very practical for implementation in scientific numerical codes. In order to compensate a lack of complete data-set on wood material, a generic time and moisture-dependent material is proposed to compare the various models: this dataset could be re-used in other studies. Finally the relevance of hygrolock models for wood time-dependent behavior is discussed: it appears that hygrolock models suits well to the upper part of wood hygroscopic domain, whereas further hypothesis should be tested for dry domain. A judicious choice in moisture activation of material parameters, combined with the blocking effect of hygrolock, agree with recent experimental results on simplifying the description of so-called ++ effect