Estimation of the strain field from full-field displacement noisy data. Comparing finite elements global least squares and polynomial diffuse approximation

International audienceIn this study, the issue of reconstructing strain fields from corrupted full-field displacement data is addressed. Two approaches are proposed, a global one based on Finite Element Approximation (FEA) and a local one based on Diffuse Approximation (DA). Both approaches are compared on a case study which is supposed difficult (open-hole tensile test). DA provides more stable results, but is more CPU time consuming. Eventually, it is proposed to monitor locally the filtering effect of both approaches, the prospects being an impending improvement of the reconstruction for both approaches

Identification à partir de mesures de champs-Application de l'erreur en relation de comportement modifiée

Ce travail consiste a exploiter les mesures de champs par corrélation d'images numériques. Il aborde l'identification des propriétés élastiques hétérogènes d'un matériau composite par l'approche inverse utilisant l'erreur en relation de comportement modifiée. La démarche consiste a définir le problème de base en utilisant uniquement les mesures de champs de déplacement disponibles sur une partie du domaine, et à minimiser une fonction coût construite avec une formulation en déplacement. Une attention particulière sera portée à la robustesse de la méthode vis-a-vis du bruit

Identification à partir de mesures de champs (application de l'erreur en relation de comportement modifiée)

La caractérisation des propriétés matérielles basée sur le dialogue essai-calcul requiert des précautions quant à la prise en compte des grandeurs physiques mises en jeu, aussi bien mesurées que calculées. Les mesures de champs cinématiques délivrent des informations qui permettent de rendre compte du comportement local du matériau et constituent une entrée riche pour ce type de dialogue axé sur la confrontation modèle - mesure. L objet de ce travail est de discuter l identification de propriétés élastiques homogènes ou hétérogènes, basée sur l exploitation de mesures de champs, qui soulève la problématique de la prise en compte de mesures perturbées et d hypothèses fortes de modélisation. Le but de cette étude est de discuter deux manières différentes pour aborder le problème. La première consiste à traiter les mesures en amont de l étape d identification, afin de filtrer les perturbations de mesures, et est basée sur l outil d approximation diffuse. La seconde consiste à développer une méthode d identification inverse à partir d essais quasi-statiques cherchant à tenir compte du caractère incertain des mesures, dès sa formulation, en utilisant l ensemble des informations théoriques et expérimentales disponibles, en particulier en l absence d informations sur les conditions aux limites. Cette méthode est basée sur les principes de l erreur en relation de comportement modifiée, amenant à résoudre des problèmes éléments finis non standards, et a conduit à mettre en œuvre des méthodes de résolution adaptées. L étude a permis de souligner la robustesse de la méthode face aux incertitudes de mesure, notamment en comparaison avec le recalage par éléments finis.The identification of material properties based on the confrontation between the experimental data and their numerical counterpart needs to pay special attention to their reliability and then to take some precautions. Especially, when dealing with full-field measurements which provide rich kinematic information enabling new possibilities for the characterization of material constitutive parameters. The aim of this work is to discuss the identification of the elastic parameters, for either homogeneous or heterogeneous materials, leading to the more general problem of the taking into account of noisy experimental data and strong model hypotheses. Two different approaches are addressed in this study. The first one consists in the processing of the experimental data upstream of the identification stage, by filtering them through a diffuse approximation algorithm. The second approach focuses on the development of an inverse identification strategy from static tests. This method takes into account the uncertainty of the measurements from the beginning of the formulation and is based on the modified constitutive relation error principles. It involves the resolution of non standard finite element problems using specific resolution methods. The study pointed out the robustness of the proposed method towards measurement errors, in particular when compared to the finite element model updating method.COMPIEGNE-BU (601592101) / SudocSudocFranceF

Identification des propriétés hyperélastiques des muscles de la cuisse à l'état passif (couplage des techniques de corrélation d'images aux techniques d'imagerie médicale)

La compréhension du comportement musculaire est un champ d investigation primordial dans divers domaines tels que le sport, le crash automobile et la médecine. Peu de techniques in vivo permettent aujourd hui de caractériser les propriétés mécaniques du muscle. Aussi, l objectif de ce travail est de développer une méthode d identification in vivo à partir demesures de champs de déplacement. La méthode d identification est composée de 3 étapes interdépendantes. La première consiste à réaliser une IRM de la cuisse pour segmenter manuellement différents tissus musculaires (quadriceps, ischios, gracilis et sartorius) et le tissu adipeux. Un comportement Néo-Hookéen est choisi pour modéliser le comportement hyperélastique (C10, D). Dans un second temps, un dispositif expérimental de compression est développé pour mesurer le champ de déplacement in vivo à partir des techniques d imagerie échographique et de Corrélation d Images Numériques. Finalement, une méthode inverse est mise en œuvre pour identifier les paramètres C10 et D de chaque tissu. Par le biais d un exemple numérique, l erreur sur les paramètres identifiés est évaluée. Les cartographies des champs de déplacement expérimentaux confirment les observations qualitatives obtenues sur les images échographiques et sont validées par les champs de déformation obtenus par approximation diffuse. Une faible erreur d identification (C10<3%, D<7%) est obtenue à partir de l exemple numérique, et les paramètres mécaniques identifiés sont en accord avec la littérature. Ces résultats valident la démarche inverse mise en œuvre qui permettra, à terme, de suivre l évolution des pathologies et de mener des simulations prédictives.The understanding of the mechanical behavior of the muscle tissue is an important field of investigation with different applications in medicine, car crash and sport. Currently, few in vivo imaging techniques are able to characterize the mechanical properties of muscle. Thus, this study aims at developing an in vivo identification method based on displacement fieldmeasurements. The identification approach is composed of 3 dependent steps. The first step consists in performing a 2D MRI acquisition of the thigh in order to segment manually the muscle (quadriceps, ischio, gracilis and sartorius) and fat tissues. A Neo-Hookean model is chosen to characterize the hyperelastic behavior (C10, D). Secondly, an experimental compressiondevice is developed to measure the in vivo displacement field using ultrasound and Digital Image Correlation (DIC) techniques. Finally, an inverse method is implemented to identify the C10 and D parameters of each soft tissue. A numerical example is used to quantify the identification error on each parameter. Displacement field measurements confirm the ultrasound observations. They are also validated by the cartographies of the strain fields, which are obtained by the diffuse approximation method. Using the numerical example, the identification leads to low errors on the C10 (< 3%) and D (< 7%) parameters. Identified values of the mechanical parameters are in good agreement with the literature. All results validate the implemented identification method. In the long term, this protocol will allow to follow the evolution of pathologies and to conduct predictive simulations.COMPIEGNE-BU (601592101) / SudocSudocFranceF

Identification robuste en dynamique transitoire des paramètres matériau gouvernant la rupture d'un composite

International audienceThe objective of this study is to develop an identification strategy of parameters of a damage model with localization in the case of dynamic tests with corrupted measurements. An identification method based on the Constitutive Relation Error (Ladevèze, 1998) and the LATIN method (Ladevèze, 1999) is developed in the cases of elastic and viscoplastic behavior (Allix et al., 2005) (Nguyen et al., 2006). Its application in the case of rupture of a composite material is presented here. The proposed identification method is thus shown very robust with respect to the corrupted measurements in the 1D exemple treated.L'objectif de ce travail est l'identification des paramètres associés à la localisation de l'endommagement d'une loi d'évolution à taux limité à partir de mesures d'essai dynamique fortement perturbées sur des composites stratifiés. Une méthode d'identification basée sur la méthode d'Erreur en Relation de Comportement modifiée (Ladevèze, 1998) et la méthode LATIN (Ladevèze, 1999) a été développée dans les cas élastique (Allix et al., 2005) et viscoplastique (Nguyen et al., 2006). Son adaptation au cas de la rupture d'un composite est présentée ici. La méthode d'identification proposée s'avère très robuste face aux perturbations de mesure dans l'exemple 1D traitée

Plethysmographic dynamic indices predict fluid responsiveness in septic ventilated patients

Objectives: In septic patients, reliable non-invasive predictors of fluid responsiveness are needed. We hypothesised that the respiratory changes in the amplitude of the plethysmographic pulse wave (ΔPPLET) would allow the prediction of changes in cardiac index following volume administration in mechanically ventilated septic patients. Design: Prospective clinical investigation. Setting: An 11-bed hospital medical intensive care unit. Patients: Twenty-three deeply sedated septic patients mechanically ventilated with tidal volume ≥ 8 ml/kg and equipped with an arterial catheter and apulse oximetry plethysmographic sensor. Interventions: Respiratory changes in pulse pressure (ΔPP), ΔPPLET and cardiac index (transthoracic Doppler echocardiography) were determined before and after volume infusion of colloids (8 ml/kg). Measurements and main results: Twenty-eight volume challenges were performed in 23 patients. Before volume expansion, ΔPP correlated with ΔPPLET (r 2 = 0.71, p < 0.001). Changes in cardiac index after volume expansion significantly (p < 0.001) correlated with baseline ΔPP (r 2 = 0.76) and ΔPPLET (r 2 = 0.50). The patients were defined as responders to fluid challenge when cardiac index increased by at least 15% after the fluid challenge. Such an event occurred 18 times. Before volume challenge, aΔPP value of 12% and aΔPPLET value of 14% allowed discrimination between responders and non-responders with sensitivity of 100% and 94% respectively and specificity of 70% and 80% respectively. Comparison of areas under the receiver operator characteristic curves showed that ΔPP and ΔPPLET predicted similarly fluid responsiveness. Conclusion: The present study found ΔPPLET to be as accurate as ΔPP for predicting fluid responsiveness in mechanically ventilated septic patient

Caractérisation de l'endommagement et de la rupture des composites à fibres longues et discontinues (DLF) sollicités en traction

L'une des barrières à l'usage des matériaux composites dans les nouvelles générations de moteurs pour l'aviation civile est la géométrie complexe des pièces à réaliser. Un matériau composite novateur (HexMC ®), composé de bandelettes (ou chips) unidirectionnelles de renforts fibreux longs discontinus et disposées aléatoirement, semble être un bon candidat. Cette étude s'intéresse à la caractérisation des premiers endommagements qui amorcent la rupture en traction dans le cas particulier du HexMC ®. Pour cela, différents types d'essais de traction multi-instrumentés (Corrélation d'images numériques (CIN), émission acoustique (EA), microscopie post-mortem/in-situ) ont été menés. Ainsi, les types d'endommagements présents (fissurations intra-chips, délaminage inter-chips, décohésions) ont été déterminés mais aussi leur séquencement d'apparition et leur méthode de propagation. Les chips orientées à 90° par rapport au chargement ont été directement incriminées comme étant les éléments déclencheurs des premiers endommagements. Ce sont dans ces chips en particulier qu'apparaissent les premières fissures intra-chips transversalement au chargement. Le niveau de charge d'apparition de ces premiers endommagements a également été déterminé. L'analyse combinée de l'ensemble de l'instrumentation mise en place a permis de proposer un scénario d'endommagement depuis le seuil d'endommagement jusqu'à la rupture fragile du matériau. Abstract Among the factors limiting the use of composite materials are the complex shapes to be found, for example, in aircraft engines. A new and innovative composite material (HexMC ®) unidirectional prepreg based, made of discontinuous and long strands (or "chips"), randomly oriented seems to match the demands. The goal of this study is to characterize the first damages that initiate the failure under tensile loading in the particular case of HexMC ®. For this purpose, various and multi-instrumented (Digital Image Correlation (DIC), Acoustic Emission (AE), post-mortem/ in-situ microscopy) tensile tests were conducted. Not only the types of damage were determined (intra-chips cracks, inter-chips delamination, debonding) but also the sequence in which they appear and the way they propagate. Cause of the first damages is attributed to chips oriented at 90° with respect to the loading direction. These particular chips are the ones in which appear the first intra-chips cracks transversely to the loading direction. The loading level at which occur the first damages is determined as well. Through this study and the multi-instrumented analyses, a damage scenario was created from the first damages until to catastrophic failure

Digital Image Correlation technique: Application to early fatigue damage detection in stainless steel

In the context of development of a numerical model, to accurately predict the fatigue life of a structural component, it is fundamental to consider both the initiation stage and the propagation stage of micro-cracks. Such a development requires dedicated experimental tools both to provide the physical understanding needed for designing models and to validate the proposed approaches and models. Thus, this paper presents the experimental means that need to be used for such a purpose. The approach is based on the analysis of displacement field measurements by digital image correlation (DIC) during low-cycle fatigue tests. A specific filtering tool is also presented to minimize the committed errors when derivative operation is performed for strain calculation. Therefore, in this quite recent application of DIC, the reproducibility of the method has to be questioned and validated, with help of some more conventional strain measurements devices. It seems that the experimental conditions have to be carefully controlled, so that the results can be interpreted in terms of mechanical phenomena