Developpement de techniques de mesure dans le volume, photoélasticimétrie 3D par découpage optique et corrélation volumique par tomographie optique et rayons X : application à l'étude des effets mécaniques 3D dans les structures et les biomatériaux

Development of volume measurement techniques : 3D photoelasticity by optical slicing and digital volume correlation by optical and X-ray tomography. Study of 3D mechanical effects in structures and biomaterials

• Auteur / Autrice : Arnaud Germaneau
• Direction : Fabrice Brémand, Jean-Christophe Dupré, Pascal Doumalin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et aéronautique (Poitiers1992-2008)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photoélasticité

Biomécanique

Microtomographie

Imagerie tridimensionnelle

Résumé

Le travail présenté dans ce mémoire concerne le développement de techniques de mesures dans le volume. Trois approches ont été développées pour étudier les effets mécaniques 3D dans les matériaux et les structures. La première est la photoélasticimétrie 3D par découpage optique qui permet d’observer les différences de contraintes ou de déformations principales au cœur de structures fabriquées dans un matériau transparent. La deuxième approche est la Corrélation d’Images Volumiques (CIV) associée à la tomographie par découpage optique. La CIV, qui est l’extension en 3D de la corrélation d’images numériques, fournit les champs volumiques des déplacements et des déformations. La tomographie par découpage optique est une technique d’acquisition d’images volumiques dans les matériaux transparents. La dernière approche est la CIV associée à la microtomographie par rayons X. Celle-ci permet d’acquérir des images volumiques dans les matériaux non-transparents. Plusieurs essais expérimentaux de déplacements et de déformations sont présentés dans le but de confronter ces trois méthodes et afin de déterminer leurs champs d’applications, leurs performances, leurs avantages et inconvénients. En termes d’applications, la photoélasticimétrie 3D et la CIV par découpage optique sont utilisées pour l’analyse expérimentale du comportement mécanique de rotules aéronautiques dans le but de rendre plus réaliste la modélisation numérique des éléments rotulés. Concernant les matériaux non-transparents, la corrélation volumique et la microtomographie par rayons X sont employées pour étudier le comportement mécanique de l’os spongieux.

This work is about developments of volume measurement techniques. Three approaches have been developed to study 3D mechanical effects in materials and structures. The first approach is the 3D photoelasticity technique by optical slicing which enables us to observe principal stress or strain differences in transparent structures. The second approach is the digital volume correlation (DVC) coupled with optical scanning tomography. DVC, which is the 3D extension of the Digital Image correlation (DIC), gives full 3D displacement and strain fields. Optical scanning tomography is a technique which generates volume images in transparent materials. The last approach is the DVC method coupled with X-ray micro-computed tomography. With this technique, it is possible to generate volume images in non-transparent materials. Several mechanical tests with imposed displacement or deformation are presented in order to compare these three methods and to determine their application fields, theirs performances, their advantages and disadvantages. Concerning applications, 3D photoelasticity and DVC by optical slicing have been used for the experimental analysis of aeronautical spherical plain bearing behaviour in order to make more realistic a numerical simulation. Concerning non transparent materials, DVC and X-ray micro-computed tomography have been employed to study mechanical behaviour of cancellous bone.