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Aug 19, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 11226 (2022) Citer cet article

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Détails des métriques

Cette étude rapporte une mesure de déformation optique de nouvelle génération avec la « peau intelligente à détection de contrainte » (S4) et une comparaison de ses performances par rapport à la méthode établie de corrélation d'images numériques (DIC). S4 mesure les changements induits par la contrainte dans les longueurs d'onde d'émission des nanotubes de carbone à paroi unique intégrés dans un film mince sur l'échantillon. Le nouveau film S4 améliore l'uniformité spectrale des capteurs à nanotubes, évite le besoin de recuit à des températures élevées et permet des mesures DIC parallèles. Les cartes de déformation sans contact mesurées avec les films S4 et le balayage ponctuel ont été directement comparées à celles du DIC sur des éprouvettes d'acrylique, de béton et d'aluminium, dont une présentant des dommages souterrains. Les caractéristiques de la souche ont été plus clairement révélées avec S4 qu'avec DIC. Les simulations par la méthode des éléments finis ont également montré un accord plus étroit avec les résultats S4 qu'avec les résultats DIC. Ces résultats mettent en évidence le potentiel de la technologie de mesure des déformations S4 en tant qu'alternative prometteuse ou complément aux technologies existantes, en particulier lorsque les déformations accumulées doivent être détectées dans des structures qui ne sont pas sous observation constante.

Une concentration de contraintes est un endroit où la contrainte mécanique est nettement plus élevée que dans la zone environnante. Cela peut se produire lorsqu’il existe des irrégularités dans la géométrie ou le matériau d’un composant structurel. Les matériaux fragiles échoueront généralement à des endroits soumis à des contraintes élevées en raison de fractures et de fissures. Pour les matériaux ductiles, la concentration des contraintes pourrait plutôt provoquer une déformation plastique et un écoulement localisés. De plus, les fissures de fatigue et de fracture dues à des charges de faible niveau mais à haute fréquence se développeraient également dans les régions de concentration de contraintes et provoqueraient des dommages. De nombreux cas de défaillance structurelle dans les bâtiments, les ponts, les navires et les avions sont étroitement liés à la concentration contrainte-déformation. En tant qu'indicateur direct des effets de la concentration des contraintes, la mesure de la déformation joue un rôle important dans la surveillance de l'état des structures (SHM) et les tests non destructifs. Pour cette raison, de nombreuses études analytiques, numériques1,2,3 et expérimentales ont été menées au cours des dernières décennies pour étudier les déformations structurelles et les dommages induits par diverses conditions de chargement.

Les méthodes expérimentales de mesure de déformation peuvent être divisées en deux grandes catégories : les techniques avec contact et sans contact. Dans la détection de contrainte par contact, les capteurs piézorésistifs et à réseau de Bragg à fibre (FBG) sont les plus largement utilisés. Les capteurs de contrainte piézorésistifs comprennent la jauge de contrainte à feuille et d'autres capteurs fabriqués à partir de matériaux dotés de propriétés piézorésistives, tels que les nanotubes de carbone (CNT)4,5,6 et les composés métalliques 7,8,9. Dans les matériaux piézorésistifs, la conductivité change avec la déformation selon une relation linéaire10. En revanche, les capteurs FBG sont optiques, offrant les avantages d’une insensibilité aux interférences électromagnétiques, de petites dimensions et d’une résistance à la corrosion11,12,13. Cependant, pour les capteurs piézorésistifs et FBG, la déformation est mesurée ponctuellement dans une direction individuelle, ce qui entraîne un coût élevé et une faible résolution spatiale lorsqu'une cartographie des déformations sur tout le champ est nécessaire. Ces capteurs sont particulièrement utiles lorsque les utilisateurs ont une connaissance préalable des emplacements de concentration de stress et peuvent les déployer en conséquence.

Les techniques de détection optique de déformation sans contact présentent deux avantages principaux. La première consiste à éviter le besoin de connexions électriques ou à fibres optiques entre les capteurs et l'appareil de mesure. L'autre montre la distribution des déformations sur une région d'intérêt bidimensionnelle, ce qui est important pour la détection des dommages et les études du comportement des fractures. Actuellement, les techniques de détection de déformation optique sans contact plein champ peuvent être classées comme : (1) interférométriques14,15,16,17,18,19,20,21,22,23, (2) basées sur l'image, ou ( 3) spectroscopique. Les techniques interférométriques mesurent les déplacements à l'échelle micrométrique d'un matériau sur la base de modèles d'interférence optique. Ils peuvent être très sensibles à la variation du champ de déformation, mais ne conviennent que pour la mesure de structures de modèles à petite échelle dans des environnements de laboratoire.