Les propriétés mécaniques des fibres naturelles sont difficiles à déterminer de part la dispersion qualitative des fibres et de part leur géométrie. Nous proposons une nouvelle méthode de caractérisation mécanique des fibres de chanvre qui permet de déterminer trois propriétés fondamentales que sont le module de Young, la contrainte et la déformation à la rupture. Pour cette étude, nous avons utilisé l'essai de micro-traction couplé à une méthode d'imagerie numérique et à la méthode des éléments finis. Ainsi par cette approche, la fibre n'est plus assimilée à un simple cylindre

CHEROUAT, Abdelhakim

ILCZYSZYN, Florent

MONTAY, Guillaume

I-Revues

20ème Congrès Français de Mécanique  Besançon, 29 août au 2 septembre 2011 
Nouvelle approche pour la caractérisation mécanique des 
fibres naturelles  
 
F. ILCZYSZYNa, A. CHEROUATb, G. MONTAY a 
 
a. Université de Technologie de Troyes (UTT), Institut Charles Delaunay, Equipe LASMIS, 12, rue 
Marie Curie, BP 2060, 10010 Troyes 
b. Université de Technologie de Troyes (UTT), Institut Charles Delaunay, Equipe GAMMA3, 12, rue 
Marie Curie, BP 2060, 10010 Troyes 
 
Résumé : 
 
Les fibres naturelles de chanvre sont aujourd’hui utilisées comme renfort dans des matériaux 
composites. Ces agro-composites ont des propriétés écologiques et mécaniques intéressantes qui les 
rendent attractifs pour de nombreuses applications, comme par exemple l’ameublement extérieur ou 
des pièces de structures dans l’automobile. Les propriétés mécaniques des fibres de chanvre sont 
assez difficiles à déterminer de part la dispersion qualitative des fibres et de part la géométrie même 
des fibres. Dans cette étude, nous proposons une nouvelle méthode de caractérisation mécanique des 
fibres naturelles et de chanvre en particulier. Cette caractérisation permet de déterminer trois 
propriétés fondamentales que sont le module de Young, la contrainte et la déformation à la rupture. 
Pour cette étude, nous avons utilisé l’essai de micro-traction des fibres couplé à une méthode 
d’imagerie numérique et à la méthode des éléments finis. L’essai de traction permet de déterminer la 
force et le déplacement maximum. L’imagerie numérique permet quant à elle de mesurer plus 
finement la section de la fibre sur toute sa longueur. Enfin la méthode des éléments finis permet de 
prendre en compte la géométrie réelle de la fibre qui n’est plus considérée comme un simple cylindre. 
 
Abstract : 
 
These last years, hemp fibres are using as reinforcement for compounds based on polymer in different 
industrial manufacturing for their  interesting mechanical and ecological properties. The hemp fibres 
present a non constant cross section and complex geometry that can have a high effect on their 
mechanical properties. The mechanical properties of hemp fibres (Young modulus, longitudinal stress 
and failure strain) are rather difficult and request a specific characterization method.  In this study, a 
micro-traction test coupled with a numerical imaging treatment and a finite elements method are used. 
The mechanical tensile test allows to determinate the evolution of the traction load in function of the 
displacement until the fibre crack. The numerical imaging allows to measure finely the hemp cross 
section along the fibre and aims to reconstruct a 3D hemp fibre object model from an image sequence 
captured by a mobile camera. And lastly, the finite elements method allows one to take the real fibre 
geometry into consideration for the mechanical characterization using inverse optimization simplex 
method. 
 
Mots clefs : Fibre végétale, chanvre, caractérisation,  essai de traction, 
optimisation, éléments finis 
 
1  Introduction 
 
Les fibres utilisées comme renfort dans les matériaux composites à matrice polymère sont 
principalement des fibres synthétiques comme les fibres de carbone ou de verre. Ces fibres présentent 
de très bonnes propriétés mécaniques et géométriques. Cependant d’autres fibres peuvent être utilisées 
comme les fibres végétales qui présentent des propriétés mécaniques, physiques et chimiques 
intéressantes ainsi que des avantages économiques et environnementaux certains [1-3]. Parmi les 
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fibres végétales couramment utilisées, celles issues de la plante de chanvre présentent de bonnes 
propriétés mécaniques. Mais les connaissances de ce type de renfort sont peu détaillées dans la 
littérature et les méthodes pour déterminer les propriétés mécaniques de ces fibres sont quasiment 
inexistantes. La majorité des études considère la fibre comme un simple cylindre pour déterminer 
certaines propriétés mécaniques fondamentales. Cette hypothèse simplifie considérablement l’analyse 
des propriétés. Dans ce travail, les propriétés d’une fibre de chanvre ont été déterminées de différentes 
manières en nous approchant au plus près de la géométrie réelle de la fibre. Dans cette étude, nous 
proposons une nouvelle méthode pour déterminer finement la section de la fibre en nous appuyant sur 
l’imagerie numérique. Dans cette communication, après avoir présenté le matériel utilisé, nous 
détaillerons la méthode de mesure ainsi que la manière avec laquelle la fibre est modélisée. Enfin, 
nous comparerons les résultats obtenus en considérant différentes méthodes pour mesurer la section de 
la fibre. 
 
2 Matériel et méthode 
 
Une machine de micro-traction type Kammrath & Weiss (FIG. 1a) a été utilisée pour mettre en tension 
la fibre de petite taille avec une vitesse d’avance de la traverse de l’ordre de 1 µm.s-1. La cellule de 
force a une capacité de charge maximum de 50N avec une précision de mesure de l’ordre du 1/100N. 
 
(a) (b) 
L1   5mm 5mm 
Point de colle 
Fibre 
L3 L4 
L2 
 
 
FIG. 1 - Photo de la machine de micro-traction (a) et support – montage des fibres (b) 
 
La méthode d’essai présentée dans cet article s’applique à des fibres unitaires comme à des faisceaux. 
Les fibres ont été montées sur un support en papier ajouré en son milieu, schématisé sur la figure FIG. 
1b. La longueur de l’ajournement (longueur L1) correspond à la longueur de jauge qui est la longueur 
réelle de fibre testée. Pour les essais nous avons pris une longueur L1 de 10mm. Les longueurs L2, L3 
et L4 ont été fixées respectivement à 60, 6 et 10mm. Les fibres ont été obtenues par un défibrage 
manuel qui n’est pas censé détériorer les fibres. Les fibres de chanvre, cultivées dans l’Aube en 
France, ont été extraites de la plante et séparées du faisceau manuellement. 
 
3 Traitement numérique des images 
 
Par leur aspect végétal, les fibres de chanvre présentent de fortes variations géométriques. Le diamètre 
varie le long de la fibre ce qui a pour conséquence un profil non constant, comme le montre la FIG. 2a. 
De plus la section d’une fibre n’est pas circulaire, le diamètre varie aussi en fonction de l’orientation. 
Il n’existe pas de géométrie standard de la fibre. Différentes méthodes sont employées comme la 
méthode de mesure par diffraction de la lumière utilisée par C. Romão [4], la méthode de mesure par 
microscopie électronique MEB utilisée par L. Y. Mwaikambo [5], la méthode de mesures ponctuelles 
suivant la longueur de la fibre considérant celle-ci circulaire utilisée par R. Schledjewski [6], ou 
encore la méthode de mesure ponctuelle en prenant en compte la non-circularité de la section utilisée 
par S. S. Munawar [7]. Ces méthodes présentent deux inconvénients : certaines sont des mesures 
ponctuelles qui sont par la suite moyennées et d’autres ne prennent pas en compte la non-circularité de 
la section. Ainsi les variations extrêmes du profil risquent de ne pas être détectées. Le but est de 
connaître au plus juste, la géométrie exacte de la fibre en palliant à ces deux inconvénients. Ainsi une 
méthode de détection du profil et de détermination du diamètre moyen de la fibre par imagerie 
numérique, prenant en compte la variation du diamètre, a été mise en place. La méthode consiste à 
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prendre cinq images (FIG. 2b) de la fibre testée à différentes orientations (0°, 36°, 72°, 108° et 144°) à 
l’aide d’un montage spécifique (FIG. 3 et FIG. 4). 
 
(a)  (b)  
 
FIG. 2 - Microscopie d'une fibre de chanvre, a) image locale et b) image de l’ensemble d’une fibre 
pour différentes orientations 
  
 
FIG. 3 - Photo et schéma du montage permettant l'orientation angulaire de l'échantillon 
 
 
1
2
4
5
3
 
 
FIG. 4- Photo et schéma du montage permettant la prise de photo 
 
1: Caméra avec un objectif microscopique (équivalent à un grossissement ×5), 2: Ordinateur 
3: Eclairage sous lumière blanche et froide, 4: Montage permettant l’orientation des fibres 
5: Console permettant de paramétrer l’éclairage 
 
Un programme utilisant les bibliothèques d’OpenCV a été développé, pour le traitement automatique 
des images. Le principe est de calculer à partir d’une image numérique (FIG. 2b), le nombre de pixel 
qui est contenu dans la fibre et de multiplier ce nombre par la taille d’un pixel exprimée en mètre. 
L’aire ainsi obtenue est équivalent à l’intégration du profil suivant la longueur de la fibre (1). D’un 
point de vue expérimental, cela revient à faire n mesures locales du diamètre le long de la fibre avec n 
très grand (environs 800 mesures). 
( ) ∑∫
=
==
n
i
i
L
dxfAire
1
    (1) 
avec f(x) l’équation du profil de la fibre, L la longueur de la fibre et di le diamètre local pour une 
position donnée le long de la fibre. 
Ainsi nous obtenons la valeur du diamètre moyen pour une image par la relation suivante : 
L
AireD i =       (2) 
avec Di le diamètre moyen pour une orientation 
20ème Congrès Français de Mécanique  Besançon, 29 août au 2 septembre 2011 
L’obtention du contour revient à déterminer le profil supérieur et inférieur ; sachant que les extrémités 
gauche et droite de la fibre sont les bords de la photo. Pour obtenir les points décrivant le contour 
supérieur et inférieur, il est nécessaire de détecter les pixels de la fibre ayant un positionnement 
vertical qui soit maximum et minimum. En multipliant les coordonnées des pixels qui composent le 
profil par la taille d’un pixel en mètre, on obtient les points géométriques du profil. Ce programme 
détermine, pour chaque orientation : les coordonnés des points du profil de la fibre (sur le figure FIG. 
5) et le diamètre moyen (diamètres Di) qui tient compte de la variation du profil de la fibre (FIG. 6) 
 
 
 
FIG. 5 - Photo d'une fibre avant et après traitement de l’image 
 
4 Modélisation de la fibre 
 
Les données géométriques du profil de la fibre obtenues par imagerie numérique sont suffisantes, pour 
avoir une description réelle de la section (FIG. 6). 
 
 
θ
 1 = 0° 
θ
 2 = 36° 
θ3 = 72° θ 4 = 108° 
θ
 5 = 144° 
D1, 
D2, 
D3, , D4 
, D5 
 
 
FIG. 6 - Profil réel de la section transverse d'une fibre de chanvre 
A partir de ces données géométriques, la fibre a été modélisée de cinq manières différentes, en 
considérant la section moyenne de la fibre circulaire (méthode1) ou polygonale (méthode2), la section 
dans la zone où la fibre va se rompre comme étant circulaire (méthode3) ou polygonale (méthode4) et 
en modélisant la fibre en 3D (méthode5) considérant celle-ci comme non-circulaire et non-constante 
suivant sa longueur (FIG. 7). 
 
 
FIG. 7 – Différentes méthodes de modélisation de la fibre 
Pour le modèle circulaire, la valeur de la section a été calculée à partir de la valeur moyenne des 
diamètres obtenue pour chaque orientation de la fibre (3). Pour le modèle polygonale, la valeur de la 
section a été calculée en utilisant un algorithme permettant le calcul de l’aire d’un polygone. 
25
circu laire i
i 1
S . D 5
4
=
pi  
=  
 
∑      (3) 
Méthode 1 
Section circulaire et constante le long de la fibre 
 
 
 
 
 
circulaireS
F
=σ
 
Se
ct
io
n
 
m
o
ye
n
n
e 
Méthode 2 
Section non-circulaire et constante le long de la fibre 
 
 
 
polygonaleS
F
=σ
 
Méthode 3 
Section circulaire au niveau de la zone de rupture 
 
 
 
 
 
rupturecirculaireS
F
_
=σ
 
Se
ct
io
n
 
zo
n
e 
de
 
ru
pt
u
re
 
Méthode 4 
Section polygonale au niveau de la zone de rupture 
 
 
 
rupturepolygonaleS
F
_
=σ
 
M
o
dè
le
 
 
3D
 Méthode 5 
Section réelle non-circulaire et non-constante 
 
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Pour le modèle 3D, la fibre a été modélisée sous CatiaV5 (FIG. 8) à partir de 10 sections prises le long 
de la fibre obtenues par le traitement d’image. Une optimisation (Matlab simplex) par méthode inverse 
issue de la simulation numérique par la méthode des éléments finis (Abaqus) a été utilisée pour 
retrouver les propriétés mécaniques de la fibre en tenant compte de la géométrie réelle de celle-ci. 
 
FIG. 8 – Modèle 3D d’une fibre 
 
5 Résultats et interprétations 
 
 
Nous avons testé plusieurs échantillons. Dans cette partie sera présenté les résultats d’un échantillon 
pour lequel les cinq méthodes de caractérisation ont été appliquées. Pour les méthodes 1 à 4 la 
contrainte maximum, la déformation à rupture et le module d’Young ont été calculé en considérant 
soit la section moyenne, soit la section dans la zone de rupture comme étant circulaire ou polygonale. 
Pour la méthode 5, la valeur du module d’Young a été déterminée par optimisation de sorte que la 
courbe expérimentale force de traction en fonction du déplacement de la traverse s’ajuste à la courbe 
numérique qui prend en compte la géométrie réelle de la fibre (FIG. 9). La valeur de la contrainte 
maximum correspond à la contrainte maximale suivant l’axe de traction calculée par la simulation 
numérique (FIG. 10b). 
(a) 
0
0,04
0,08
0,12
0,16
0,2
0 0,05 0,1 0,15 0,2
Déplacement (mm)
Fo
rc
e 
de
 
tr
ac
tio
n
 
(N
)
courbe
expérimentale
itération 1
itération 2
itération 3
itération 4
itération 5
itération 6
itération 11
itération 16
 (b)
0,0E+00
2,0E+00
4,0E+00
6,0E+00
8,0E+00
1,0E+01
1,2E+01
1,4E+01
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Itération
Er
re
u
r 
(N
)
 
FIG. 9 – Résultat de l’optimisation du module d’Young, a) Comparaison courbe force – déplacement 
expérimentale et numérique b) évolution de l’erreur en fonction de l’itération de calcul 
 
Les propriétés mécaniques obtenues par les cinq méthodes de caractérisation sont présentées dans le 
tableau (TAB. 1). La section locale dans la zone de rupture est plus faible que la section moyenne de la 
fibre avec un écart d’environs 28% entre les deux approches (méthodes 1,2 et méthode 3,4). 
Considérer la section comme circulaire (méthode 1 et 3) donne un écart de 7% pour la contrainte 
maximum et pour le module d’Young par rapport aux méthodes 2 et 4 qui considèrent la section réelle 
de la fibre. 
(a) 
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 0,005 0,01 0,015 0,02
Déformation (SI)
Co
n
tr
ai
n
te
 
(M
Pa
)
Section moyenne et circulaire
Section moyenne et polygonale
Section dans la zone de rupture et
circulaire
Section dans la zone de rupture et
polygonale
 (b)  
 
FIG. 10 – Contrainte de la fibre en fonction des différentes méthodes, a) Contrainte – déformation en 
fonction de la méthode 1,2,3 et 4 b) Zone de contrainte maximum obtenue par la méthode 5 
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La modélisation 3D (méthode 5) de la fibre est l’approche la plus fine puisqu’elle tient compte de la 
non-circularité de la section et de la variation de celle-ci suivant la longueur de la fibre. Il a été 
constaté que considérer la fibre comme un cylindre qui est l’hypothèse la plus réductrice, donne une 
erreur pour le module d’Young de 44% et une erreur de 104% pour la contrainte à rupture. Tenir 
compte de la non-circularité de la section et de l’état de contrainte critique de la fibre dans la zone où 
va se produire la rupture (méthode 4) permet d’approximer les propriétés mécaniques avec une erreur 
de 3% pour le module d’Young et une erreur de 25% pour la contrainte à rupture. 
 
Diamètre Section ∆l à 
rupture
Force à 
rupture
Déformation à 
rupture
Contrainte 
maximum
Module 
d'Young
mm mm² µm N SI MPa MPa
circulaire 0,000745 255 14164
polygonnale 0,000691 275 15271
circulaire 0,000531 358 19872
polygonnale 0,0005 380 21104
3D 521 20441
e46_1
global
zone de rupture
0,031863
0,026 180,00 0,19 0,0180
 
 
TAB. 1 –Propriétés mécaniques de la fibre pour différentes méthodes de caractérisation 
 
6 Conclusion 
 
Cette étude a mis en évidence l’importance de la géométrie de la fibre pour la caractérisation 
mécanique des fibres de chanvre. Différentes méthodes ont été présentées qui tiennent compte de la 
non-circularité de la fibre soit en considérant une mesure de la section locale au niveau de la zone où 
la rupture va se produire, soit en considérant la fibre dans son ensemble en calculant une section 
moyenne. Une dernière méthode a été présentée, qui tient compte de la non-circularité de la section et 
de la variation de celle-ci suivant la longueur de la fibre. Pour cela un modèle de la fibre en 3D a été 
créé, qui par la suite a été intégré dans un calcul par élément fini. Par l’optimisation de la courbe 
numérique force en fonction du déplacement par rapport à la courbe de traction expérimentale, nous 
retrouvons le module d’Young qui tient compte de la géométrie réelle de la fibre. Il a été montré 
qu’émettre la simple hypothèse d’une fibre de forme circulaire, était insuffisante pour caractériser au 
plus juste le comportement des fibres de chanvre en traction.  
 
7 Remerciements 
 
Ce travail bénéficie du soutien financier du Conseil Général de l’Aube dans le cadre du programme de 
recherche MAPROFI. 
 
References 
 
[1] Wambua P., Jan Ivens, Verpoest. I., Natural fibres: Can they replace glass in fibre reinforced 
plastics,  Composites Science and Technology 63,1259-1264, (2003) 
[2] Joshi S.V., Drazl L.TL., Mohanty A.K., Arora S., Are natural fiber composites environmentally 
superior to glass fiber reinforced composite, Composites: Part A 35, 371-376, 2004 
[3] Mohanty A.K., Missa M., Drazl L.T., Natural fibres, biopolymers and bio composites, 2005 
[4] Romão C., Vieira P., Peito F., Marques A.T., Esteves J.L., Single filament mechanical 
characterisation of hemp fibres for reinforcing composite materials. Molecular crystals and liquid 
crystals Vol. 418, 87-99, 2004 
[5] Mwaikanbo L.Y., Ansell M.P., Mechanical properties of alkali treated plant fibres and their 
potentian as reinforcement materials – I. hemp fibres. J Master Sci 41, 2483-2496, 2006 
[6] Schledjewski R., Medina L., Schlarb A.K., Mechanical and morphological characterization of 
selected natural fibres. Advanced Composites Letters Vol. 15 N°2, 2006 
[7] Munawar S.S., Umemura K., Kawai S., Characterization of the morphological, physical, and 
mechanical properties of seven nonwood plant fiber bundles, The Japan Wood Research Society 
53:108-113, 2007 
[8] Ilczyszyn F., Cherouat A., Montay G., Caractérisation des propriétés mécaniques de fibres de 
chanvre, Conférence Matériaux 2010 Nantes, colloque 12 


Nouvelle approche pour la caractérisation mécanique des fibres naturelles

http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/2042/46776/1/cfm2011_115.pdf

Nouvelle approche pour la caractérisation mécanique des fibres naturelles

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