Développement d’une méthode optique de champs pour la mesure directe de petites déformations sur une surface régulière non plane – Shearo3D

Jusqu'à une période récente, les procédures expérimentales pour la caractérisation des matériaux et des structures utilisaient des mesures ponctuelles. Les progrès récents dans les méthodes optiques de champs ont complètement changé la manière d'envisager un essais mécanique. Il est possible d'analyser le comportement mécanique d'une grande variété de matériaux pour des applications industrielles (composites structuraux, bois, ...) ou médicales (os, peau...). De grands groupes commencent à imposer les méthodes optiques de champs comme moyen de validation de modèles par éléments finis. Classiquement, les méthodes optiques de champs sont classées en deux catégories : les méthodes géométriques, comme la corrélation d'images et les méthodes interférométriques comme l'interférométrie en lumière diffuse (ESPI) ou l'interférométrie différentielle en lumière diffuse (Shearographie). Les progrès en corrélation d'images ont permis la diffusion de cette méthode dans beaucoup de laboratoires. En particulier, l'implémentation d'un code de stéréovision a ouvert la corrélation d'images aux surfaces non planes, plus proches des applications industrielles. Cependant, la résolution de cette méthode (typiquement 4.10-3 m/m) est trop grande par rapport à la limite élastique de la plupart des matériaux (de 10-3 à 7 10-3 m/m). Dans le second groupe, l'ESPI bénéficie d'une bonne diffusion, due à la présence sur le marché de montages commerciaux. Dans ce cas également, une implémentation existe pour des surfaces non planes, mais l'ESPI a une sensibilité parfois trop élevée pour un essai sur structures. Si l'on se réfère à un montage classique, la sensibilité est de Ux = 380 nm par frange, et l'échantillonnage des franges n'est pas suffisant pour une déformation supérieure à 2,5 10-3 m/m. La shearographie a été beaucoup appliquée au contrôle non destructif, mais le montage est fondamentalement sensible aux dérivées des déplacements dans le plan et hors du plan. Sa sensibilité est ajustable en changeant la distance de dédoublement. Par exemple, des développements récents montraient une résolution de 6 10-6 m/m. La résolution spatiale reste alors raisonnable (distance de dédoublement 0,9 mm soit 25 pixels), et il n'est pas nécessaire de « décisailler » les images. La shearographie est donc un outil permettant les mesures quantitatives de déplacements différentiels, et ce avec des performances raisonnables dans le cadre de la mécanique des structures classique. Mais pour faire de ce système un montage pouvant intéresser les laboratoires de mécanique, il faut étendre ses possibilités aux mesures sur surfaces non planes. A notre connaissance, aucune implémentation n'a été réalisée à ce jour. Actuellement, le LTDS dispose d'un premier prototype de shearographie portable permettant la mesure de champs de déformation sur surfaces planes. L'objectif de ce projet est d'étendre les possibilités de ce montage aux surfaces non planes. Ce travail implique des vecteurs sensibilité variables dans l'espace. Dans un premier temps, la forme de la surface envisagée est peu perturbée : absence d'arête ; variation douce de la courbure. Ces limitations restent très raisonnables et ne devrait pas restreindre démesurément le champ d'application de la méthode. La gamme de mesure visée est typiquement est de quelques 10-5 à quelques 10-2 m/m. Le c?ur du projet réside dans l'implantation d'une mesure de forme dans le système de shearographie. Cette mesure de forme doit être suffisamment précise pour permettre une bonne restitution des vecteurs sensibilité dans un premier temps, puis la projection des déformations dans le repère local de la surface dans un second temps. La méthode de mesure proposée repose sur l'utilisation d'un éclairage à deux longueurs d'onde dans un interféromètre de Michelson. Ensuite, le lien entre le repère monde et le repère du système optique devra être décrit avec attention. Les aspects métrologiques devront être étudiés ; en particulier, la fidélité et la justesse de la distance de dédoublement sont les points-clé de la mesure. Une procédure de mesure de la distance de dédoublement existe déjà ; elle doit cependant être mieux caractérisée. Si l'on s'intéresse à un point plus théorique, nous pensons que le projet permettra de définir mieux la résolution spatiale. Nous souhaitons tester également les propositions du projet SPOTS pour caractériser une méthode optique de champs. L'éclairage que nous pourrons fournir à la communauté aura une importance particulière pour le GDR CNRS 2519. Enfin, les deux laboratoires ont identifié un besoin commun de logiciels d'acquisition et de traitement des images. Chacun a développé indépendamment des outils incomplets. Le partage de ces travaux pourrait conduire à une toolbox originale dédiée à la photomécanique. Cette toolbox pourrait faire l'objet d'une distribution libre; les membres du GDR CNRS 2519 seront invités à participer à cette partie du projet.