Identification paramétrique par recalage de modèles d'éléments finis couplée à des mesures de champs cinématiques et thermiques

Constitutive parameter identification using finite element updating method associated with kinematic and thermal full field measurements

• Auteur / Autrice : Thomas Pottier
• Direction : Franck Toussaint, Pierre Vacher
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Chambéry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermographie

Élastoplasticité

Déformations (mécanique)

Éléments finis, Méthode des

Recalage d'images

Mots clés libres

Coefficient de Taylor et Quinney

Résumé

Les paramètres matériaux de loi de comportement s'identifient habituellement à partir d'éprouvettes standardisées présentant des champs de déformations homogènes. L'essor actuel des méthodes inverses incite à l'utilisation d'essais plus hétérogènes. L'objectif de cette thèse est de développer une procédure d identification inverse en utilisant une méthode de recalage de modèles éléments finis basée sur des expériences à hétérogénéités croissantes des champs de déformation. À cette fin, des essais plans avec différentes géométries d'éprouvettes, en titane commercialement pur, ont été effectués et un essai original hors plan fortement hétérogène a été mis au point. Dans ce dernier cas, un essai unique réalisé à l'aide d'une machine de traction uniaxiale permet d'obtenir des sollicitations d'expansion. Mais aussi de traction et de cisaillement selon deux directions orthogonales. Des mesures de champs cinématiques planes et non planes (stéréo corrélation d images) sont utilisées afin d'évaluer les déforma fions jusqu'à striction. A partir de ces mesures en grandes déformations, on propose de mener une comparaison entre les informations issues l'expérience et un modèle dupliquent les conditions expérimentales (conditions aux limites issues de la corrélation d'images). Cette comparaison conduit, via un processus d'optimisation, à l'actualisation itérative du jeu de paramètres de la loi de comportement utilisée dans le modèle éléments finis. Le nombre de paramètres matériaux ainsi identifiés varie selon le modèle de comportement: élastique anisotrope puis élasto-plastique anisotrope. Différentes validations ont mis en évidence l'intérêt de considérer des champs de déformations fortement hétérogènes. Dans ce cadre, des prédictions numériques d'opérations d'emboutissage, réalisées à l'aide des différents jeux de paramètres identifies sont comparées à l'expérience. On montre que la prise en compte d'un modèle élastique anisotrope plutôt qu'isotrope fournit un état de contrainte plus réaliste en début de plasticité, améliorant considérablement l'identification du modèle plastique. Enfin, une approche couplée entre mesures de champs cinématiques et thermiques (thermographie infrarouge) a été développée. Les paramètres d'un modèle mécanique sont identifiés puis utilisés pour l'évaluation d'un modèle thermique calculant les sources de chaleur. Par cette méthode, plusieurs modèles d'évolution de la fraction d'énergie dissipée sous forme de chaleur ont été identifiés (coefficient de Taylor et Quinney).

Material constitutive parameters are usuaily identified from standard tests exhibiting homogeneous strain states. However, recent improvements in inverse identification methods call upon the use of heterogeneous tests. The purpose of the present work is to develop an inverse identification procedu based on the Finite Element Updating method. Kinematic and thermal full-fields measurements are thus captured from increasingly heterogeneous tes and provide the input data of the identification process. Miscellaneous planar tests with commercially pure titanium have been led and a new non plana experimental test has been designed and set up. This latter allows the identification of tensile, shear and expansion behaviours from a single test led on basic tensile device. Digital image Correlation along with Stereo image Correlation is used for measurement purpose. Comparisons are made between measured data and data retrieved from a numerical model of the experiment. An optimization algorithm is used to update the constitutive parameters of the finite element model. The number of identified parameters varies with the involved constitutive model: orthotropic elasticity, then anisotropic plasticity. Several validations protocols have highlight the advantages of using heterogeneous rather than homogeneous tests. Moreover it has been shown that the choice of the elastic model (isotopic or orthotropic) has a major influence on the plastic identification. Finally, a mixed kinematic and thermal approach has been developed. Mechanical constitutive parameters are identified and used to assess the body heat sources of the sample. Four evolutionary models of the inelastic heat fraction have been identified by this mean.