De la mécanique...avec des images

Attention, en raison de travaux à l’ESPCI, les prochaines conférences expérimentales se dérouleront dans l’amphithéâtre Tisserand, AgroParisTech, 16 rue Claude Bernard, 75005 Paris (à 5 minutes à pied de l’ESPCI).

La corrélation d’images sur ordinateur est efficace pour caractériser le comportement mécanique de solides.

C’est ce comportement mécanique qui permet de mieux prévoir et optimiser les matériaux et pièces mécaniques : aube de moteur d’avion, roue de TGV, structure en béton armé. Une conférence sans expérience, mais à deux voix : celle du conférencier et celle de l’ordinateur.

Quand on tire sur un solide – ou qu’on le comprime, il se déforme, et, si on insiste, il se fissure, et, à la fin, il se casse. La mécanique des solides est la science qui étudie la loi de comportement mécanique des solides – c’est-à-dire leur déformation en fonction de la contrainte imposée, et leur ténacité, c.-à.-d. leur résistance à la rupture. Parfois, la fissuration et la rupture se produisent sous l’effet de contraintes internes, comme dans le cas des séismes : voir cette video de fissuration du sol lors d’un séisme au Japon.

Pendant longtemps, les expérimentateurs ont soumis les échantillons à des tests dans des machines qui imposaient la déformation et mesuraient, grâce à des capteurs, la contrainte résultante. Voir cette video de tests dans une telle machine.

Depuis peu, on a compris qu’il peut être beaucoup plus efficace de prendre en continu, pendant que la contrainte est appliquée des images de l’échantillon. Grâce à des techniques sophistiquées – et demandant beaucoup de puissance de calcul des ordinateurs – de mesures de corrélation des images prises à des instants successifs, on peut remonter au champ des déformations instantanées. Ainsi, chaque pixel se transforme en un capteur de déformation ; l’information obtenue est beaucoup plus globale et beaucoup plus précise : voir ce test d’une éprouvette d’alliage métallique, ou bien celle-ci. L’analyse du résultat du test s’en trouve simplifiée et beaucoup plus instructive. En outre, on peut étudier la réponse d’une pièce complexe en condition d’utilisation proche des conditions réelles, comme pour cette roue d’automobile.

Cette technique peut s’appliquer à toutes les échelles, pourvu qu’on dispose de techniques d’imagerie adéquate. Simple camera pour les objets de dimension macroscopique, on peut utiliser la microscopie à forces atomiques aux dimensions nanométriques, ou les cameras satellites pour les dimensions géologiques.

Clichés successifs de la propagation d’une fissure à la surface du verre. Les images sont acquises par un microscope à forces atomiques. La taille de l’image est de 2 microns.

Une grande faille dans le désert chinois, vue satellite. La taille de l’image est d’environ 100 km.

Jusqu’à présent, les images ne donnaient accès qu’à la surface de l’échantillon ; mais, grâce aux progrès de la tomographie, on pourra bientôt généraliser à trois dimensions ces techniques de corrélation, ce qui enrichira de façon extraordinaire l’exploitation des tests mécaniques.

Image 3-D du champ de déformation d’une pièce mécanique fissurée sous sollicitation. Image enregistrée au Synchrotron européen à Grenoble. L’échelle de couleurs traduit l’intensité du champ de déformation.