Développement d'une méthode de caractérisation 3D des fissures de fatigue à l'aide de la corrélation d'images numériques obtenues par tomographie X

This manuscript describes a methodology used to compute Stress Intensity Factor values along the curved front of a fatigue crack inside a nodular cast iron. An artificial defect is introduced at the surface of a small sample. The initiation and growth of a fatigue crack from this defect during constant amplitude cycling is monitored in situ by laboratory x-ray tomography. The method for processing the 3D images in order to compute SIF values is described in detail. The results obtained show variations of the stress intensity factor values along the crack front.Ce mémoire présente une méthode mise au point pour caractériser et analyser des fissures de fatigue présentant un fort caractère tridimensionnel dans des matériaux métalliques opaques. L'analyse consiste à déterminer avec précision la position du front de la fissure étudiée et à mesurer des valeurs de facteurs d'intensité des contraintes le long du front par projection sur les séries de Williams du champ de déplacement issu de la corrélation numérique d'images 3D obtenues par tomographie aux rayons X. La corrélation d'images 3D numériques est utilisée afin de mesurer le champ de déplacement en volume lors de la mise sous chargement d'une éprouvette fissurée fatiguée. La corrélation d'images nécessitant un mouchetis, le matériau retenu pour les expériences est la fonte à graphite sphéroïdal car il présente un mouchetis 3D naturel (les nodules de graphites) parfaitement imagé par tomographie aux rayons X. Le cyclage est appliqué à l'aide d'une machine de fatigue in situ permettant d'alterner des phases de propagation de la fissure avec des acquisitions tomographiques sous différentes charges. L'introduction d'un défaut artificiel (une entaille obtenue par usinage laser) permet de maîtriser l'amorçage et la propagation de la fissure in situ. La méthode de corrélation d'images 3D numériques employée dans ces travaux étant basée sur des éléments finis, nous avons cherché à tirer profit de différents outils développés dans le cadre de cette méthode. Les surfaces libres sont spécifiées afin de bien conditionner le maillage et un enrichissement dans l'esprit des X-FEM permet de renseigner la fissure dont la position est repérée grâce à la trace laissée dans le résidu de corrélation entre l'image avant cyclage et la dernière image acquise. Une régularisation mécanique est également introduite dans le calcul sous forme d'un filtre de longueur d'onde choisie. Le champ de déplacement mesuré avec précision est ensuite projeté sur les séries de Williams augmentées des termes correctifs de Leblond et Torlai qui prennent en compte la courbure du front de la fissure. L'annulation du terme super-singulier d'ordre -1 des séries de Williams est utilisée pour détecter la position du front de la fissure. Une procédure itérative a été mise en place afin de concilier l'enrichissement et la courbure du front avec la projection sur les séries de Williams. Une fois la position du front 3D de la fissure déterminée et les valeurs des facteurs d'intensité des contraintes associées calculées, les résultats obtenus sont confrontés à la littérature

Arrays of high aspect ratio magnetic microstructures for large trapping throughput in lab-on-chip systems

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Development of a method for 3D characterisation of fatigue crack using digital volume correlation on X-ray microtomography images

Ce mémoire présente une méthode mise au point pour caractériser et analyser des fissures de fatigue présentant un fort caractère tridimensionnel dans des matériaux métalliques opaques. L'analyse consiste à déterminer avec précision la position du front de la fissure étudiée et à mesurer des valeurs de facteurs d'intensité des contraintes le long du front par projection sur les séries de Williams du champ de déplacement issu de la corrélation numérique d'images 3D obtenues par tomographie aux rayons X. La corrélation d'images 3D numériques est utilisée afin de mesurer le champ de déplacement en volume lors de la mise sous chargement d'une éprouvette fissurée fatiguée. La corrélation d'images nécessitant un mouchetis, le matériau retenu pour les expériences est la fonte à graphite sphéroïdal car il présente un mouchetis 3D naturel (les nodules de graphites) parfaitement imagé par tomographie aux rayons X. Le cyclage est appliqué à l'aide d'une machine de fatigue in situ permettant d'alterner des phases de propagation de la fissure avec des acquisitions tomographiques sous différentes charges. L'introduction d'un défaut artificiel (une entaille obtenue par usinage laser) permet de maîtriser l'amorçage et la propagation de la fissure in situ. La méthode de corrélation d'images 3D numériques employée dans ces travaux étant basée sur des éléments finis, nous avons cherché à tirer profit de différents outils développés dans le cadre de cette méthode. Les surfaces libres sont spécifiées afin de bien conditionner le maillage et un enrichissement dans l'esprit des X-FEM permet de renseigner la fissure dont la position est repérée grâce à la trace laissée dans le résidu de corrélation entre l'image avant cyclage et la dernière image acquise. Une régularisation mécanique est également introduite dans le calcul sous forme d'un filtre de longueur d'onde choisie. Le champ de déplacement mesuré avec précision est ensuite projeté sur les séries de Williams augmentées des termes correctifs de Leblond et Torlai qui prennent en compte la courbure du front de la fissure. L'annulation du terme super-singulier d'ordre -1 des séries de Williams est utilisée pour détecter la position du front de la fissure. Une procédure itérative a été mise en place afin de concilier l'enrichissement et la courbure du front avec la projection sur les séries de Williams. Une fois la position du front 3D de la fissure déterminée et les valeurs des facteurs d'intensité des contraintes associées calculées, les résultats obtenus sont confrontés à la littérature.This manuscript describes a methodology used to compute Stress Intensity Factor values along the curved front of a fatigue crack inside a nodular cast iron. An artificial defect is introduced at the surface of a small sample. The initiation and growth of a fatigue crack from this defect during constant amplitude cycling is monitored in situ by laboratory x-ray tomography. The method for processing the 3D images in order to compute SIF values is described in detail. The results obtained show variations of the stress intensity factor values along the crack front

Two-Scale Tomography Based Finite Element Modeling of Plasticity and Damage in Aluminum Foams

In this study, finite element (FE) modeling of open-cell aluminum foams in tension was performed based on laboratory X-ray tomography scans of the materials at two different scales. High-resolution stitching tomography of the initial state allowed local intermetallic particles to be distinguished from internal defects in the solid phase of the foam. Lower-resolution scans were used to monitor the deformation and fracture in situ during loading. 3D image-based FE models of the foams were built to simulate the tensile behavior using a new microstructure-informed Gurson–Tvergaard–Needleman model. The new model allows quantitative consideration of the local presence of brittle intermetallic particles in the prediction of damage. It performs well in the discrimination of potential fracture zones in the foam, and can be easily adapted to any type of architectured material where both the global architecture and local microstructural details should be taken into account in the prediction of damage behavior

3D analysis of a fatigue crack in cast iron using digital volume correlation of X‐ray tomographic images

International audienceThree-dimensional (3D) images of a thumbnail corner fatigue crack are obtained in a sample of nodular graphite cast iron using laboratory X-ray computed tomography. The crack is initiated in situ from an artificial defect created by laser machining, its development is followed in situ and Digital Volume Correlation (DVC) analysis of the 3D images gives access to the 3D displacement field at the tip of the crack (mainly mode I opening)

Demonstration of the Use of 3D X-ray Tomography to Compare the Uniformity of Catalyst Coatings in Open-Cell Foams

Coating open-cell foams by a catalytic layer is a necessary step to obtain structured catalytic foam reactors. The dip-coating method, consisting of immersing the foam in a suspension or in a sol-gel, is generally used to obtain the coating. The excess of liquid has to be evacuated from the foam to obtain a thin layer. Different methods to remove this excess of liquid have been investigated in the present work. The objective was to show that 3D X-ray tomography coupled to image analysis could be a tool to discriminate the methods by analysing the spatial localisation of the catalyst layer throughout the whole foam samples. A simple blowing by air in every direction seems to not be appropriate to obtain uniform coatings

Detection and characterization of fatigue crack growth by acoustic emission and digital image correlation

International audienceDes signaux d'émission acoustique (EA) spécifiques à l'avancée incrémentale de fissure de fatigue peuvent etre détectés, cycles après cycles lors d'essais de propagation de fissure dans les métaux : ce sont des multiplets acoustiques. Afin d'en savoir plus sur les mécanismes physiques à leur source, une analyse de corrélation d'images numériques (DIC) couplée à l'EA est menée dans cette étude. Il est montré que ce type d'analyse est efficace pour distinguer les multiplets issus de 2 catégories de sources : la propagation de fissure par rupture ou plasticité en pointe de fissure et le frottement des lèvres contre elles-meme

Detection and characterization of fatigue crack growth by acoustic emission and digital image correlation

International audienceDes signaux d'émission acoustique (EA) spécifiques à l'avancée incrémentale de fissure de fatigue peuvent etre détectés, cycles après cycles lors d'essais de propagation de fissure dans les métaux : ce sont des multiplets acoustiques. Afin d'en savoir plus sur les mécanismes physiques à leur source, une analyse de corrélation d'images numériques (DIC) couplée à l'EA est menée dans cette étude. Il est montré que ce type d'analyse est efficace pour distinguer les multiplets issus de 2 catégories de sources : la propagation de fissure par rupture ou plasticité en pointe de fissure et le frottement des lèvres contre elles-meme

Detection and characterization of fatigue crack growth by acoustic emission and digital image correlation

International audienceDes signaux d'émission acoustique (EA) spécifiques à l'avancée incrémentale de fissure de fatigue peuvent etre détectés, cycles après cycles lors d'essais de propagation de fissure dans les métaux : ce sont des multiplets acoustiques. Afin d'en savoir plus sur les mécanismes physiques à leur source, une analyse de corrélation d'images numériques (DIC) couplée à l'EA est menée dans cette étude. Il est montré que ce type d'analyse est efficace pour distinguer les multiplets issus de 2 catégories de sources : la propagation de fissure par rupture ou plasticité en pointe de fissure et le frottement des lèvres contre elles-meme