Essai de choc et corrélation d’images : comment mesurer les déformations du siège et suivre les mouvement du mannequin

• Par Alex Chang, Ingénieur Projet chez EikoSim
• Etude de faisabilité : application des outils EikoTwin pour un essai de choc
• Essai virtuel – Mesure corrélation d’images – Comparaison essai calcul

L’essai de choc est une étape cruciale dans le développement et la certification des produits, notamment pour les industries automobile, aéronautique et ferroviaire. Ce test permet de simuler des scénarios de collision ou de choc, afin d’évaluer la résistance et la sécurité des produits. Parmi les équipements utilisés pour réaliser l’essais, on trouve la catapulte inverse, qui est un dispositif permettant de projeter un objet, ici le mannequin et son siège, à grande vitesse créant ainsi une impulsion de force qui simule un choc de haute intensité. Pour mesurer les déformations d’un siège lors d’un essai de choc, des jauges de déformations localisées ont longtemps été utilisées. Cependant, ces jauges ne permettent pas de mesurer l’ensemble du champ de déformation du siège. C’est pourquoi, la corrélation d’images numérique (CIN) a été proposée pour mesurer les déformations du siège. Cette mesure permet également de suivre les déplacements du mannequin à partir de cibles positionnées stratégiquement sur certaines parties de son corps. L’intérêt est d’utiliser le même système de caméras pour mesurer les déformations du siège et les déplacements du mannequin par suivie de marqueurs.

La stéréo-corrélation d’images numérique est employée afin de mesurer les déformations à divers endroits du siège, notamment pour contrôler une éventuelle faiblesse détectée par calcul, ajuster les dimensions des composants en fonction des contraintes mesurées, ou encore fournir des données pour le calcul dans les zones complexes à modéliser ou à simuler.

Dans ce cas d’étude d’essai de choc, nous avons utilisé le logiciel EikoTwin Virtual pour créer un environnement virtuel d’essai de choc, positionner le système stéréo de caméras et enregistrer les images de cet essai. Ensuite, nous avons traité les images avec le logiciel EikoTwin DIC pour calculer les déplacements du mannequin et les déformations du siège.

Création d’un essai de choc virtuel avec EikoTwin Virtual pour la correlation d’images

Principe essai virtuel

Dans le cadre de la création d’essais virtuels, l’utilisation de logiciels de modélisation et de rendu 3D est indispensable. Dans cette optique, le logiciel Blender, initialement développé pour l’industrie du cinéma d’animation, s’est avéré être un outil particulièrement intéressant pour notre utilisation. Il permet de créer des caméras avec toutes les caractéristiques nécessaires, de les positionner, de photographier et d’exporter des images avec un rendu réaliste des matières et des lumières. Bien que Blender soit initialement destiné à l’industrie du cinéma d’animation, nous avons utilisé ce logiciel pour le convertir en un outil adapté à la corrélation d’images (CIN) et à la création d’essais virtuels. EikoTwin Virtual se compose de l’outil ModelConverter et de l’add-on BlenDIC. ModelConverter permet de convertir un modèle et des résultats de simulation créés dans un logiciel de calcul d’éléments finis tel que Abaqus ou Hyperworks, en format VTK importable dans Blender. L’add-on BlenDIC intègre les outils nécessaires dans Blender pour la création d’essais virtuels.

Nous avons créé un modèle simplifié d’un mannequin sur un siège en utilisant Abaqus, sur lequel nous avons appliqué des sollicitations pour simuler des déplacements similaires à ceux d’un essai de choc. Ensuite, nous avons importé cette simulation dans EikoTwin Virtual.

EikoTwin Virtual : mouchetis & marqueurs

Dans un premier temps, nous avons procédé à l’application d’un mouchetis sur le siège afin de permettre des mesures de déformation par corrélation d’images (CIN). Des marqueurs ont également été placés sur certains endroits du mannequin (tête, épaule, hanche, genoux, cheville) pour suivre leurs déplacements durant l’essai.

EikoTwin Virtual : positionnement caméras

Les deux caméras sont positionnées dans l’espace en veillant à couvrir l’intégralité de la zone d’intérêt. Un angle spécifique de 30° est respecté entre ces caméras et la zone de netteté est identifiée.

EikoTwin Virtual : vues des caméras

Les images capturées par les deux caméras sont rendues en temps réel sur Blender.

Blendic : mouchetis : taille & résolution

En prenant en compte la résolution et le champ de vision des caméras, la taille optimale des taches du mouchetis peut être déterminée (ici 2,5 mm). Il est important d’avoir plusieurs taches par élément du maillage ainsi que plusieurs pixels par tache pour permettre la convergence en corrélation d’image, comme on peut l’observer sur les images.

EikoTwin Virtual : génération des images virtuelles de l’essai de choc pour la correlation d’images

La dernière étape de la création de l’essai virtuel sur EikoTwin Virtual consiste à générer les images virtuelles et à les exporter.

Validation de la faisabilité de la mesure avec le logiciel EikoTwin DIC
EikoTwin DIC : post-traitement des images virtuelles

Après avoir obtenu les images de l’essai, la prochaine étape consiste à utiliser le logiciel EikoTwin DIC pour évaluer la convergence des calculs de corrélation d’images. Cette étape est capitale pour vérifier si les images obtenues sont en mesure de mesurer avec précision les déformations et les déplacements de la pièce.

Après l’importation des images et du maillage dans le logiciel EikoTwin DIC, une étape cruciale consiste à effectuer l’étalonnage des caméras. Cette étape permet de calculer la matrice de projection des deux caméras à partir des images. Une fois cette étape terminée, le maillage de simulation peut être projeté sur les images pour permettre la mesure des déplacements et des déformations sur la pièce.

Résultats de mesure par correlation d’images de l’essais de choc

EikoTwin DIC : calcul déplacements | résultats

L’étalonnage terminé, les calculs de déplacements ont été effectués et voici les résultats obtenus :

EikoTwin DIC : comparaison essai / calcul | déplacements

Il est possible, avec le logiciel EikoTwin DIC, de visualiser directement le champ de différences de déplacement entre l’essai CIN et la simulation. Étant donné que l’essai virtuel est créé à partir de la simulation, théoriquement les différences devraient être nulles. Cette différence nous informe donc sur la précision de notre mesure et sur les incertitudes minimales que l’on pourrait rencontrer lors d’un essai réel.

EikoTwin DIC : suivi de marqueurs

Une autre fonctionnalité intéressante du logiciel EikoTwin DIC est le suivi de marqueurs. Lors de la première étape, nous avons placé des marqueurs sur le mannequin pour mesurer ses déplacements. En important les images dans EikoTwin DIC, il est possible d’indiquer la position des marqueurs sur chaque image et de mesurer leurs déplacements en fonction du temps.Dans l’interface du logiciel, on peut visualiser sur la vue 3D, le point calculé pour le marqueur et la courbe des résultats. Les résultats pour le marqueur de la tête sont tracés pour les déplacements selon les axes X et Z en fonction du temps, ainsi que la trajectoire de la tête en traçant les déplacements Z en fonction des déplacements X. Il est possible de comparer les résultats entre les essais et les calculs sur les graphes.

Export hyperworks

La dernière étape sur EikoTwin DIC, exporter les résultats. Il est possible d’exporter les résultats dans différents formats pour s’adapter aux différents logiciels de modélisation. Les résultats peuvent ainsi être importés dans HyperWorks, comme présenté ici.

 

Timeline

Dans le cadre d’un essai de choc, nous avons écris cette timeline qui présente le dialogue entre essai et calcul.
La timeline comporte deux parties prenantes : le Bureau d’étude et le Laboratoire d’essai. Le Bureau d’étude a réalisé la simulation de l’essai de choc et souhaite vérifier et améliorer les résultats de son modèle. Ils ont donc besoin du laboratoire pour réaliser un essai réel du crash. Les mesures sont effectuées à l’aide de plusieurs caméras, pour éviter les difficultés de positionnement de ces caméras lors de l’essai réel, le Bureau d’étude et le Laboratoire réalisent ensemble une pré-étude avec EikoTwin Virtual. Cette étape ponctuelle permet de spécifier la campagne d’essai et de réduire les risques, et ne doit être effectuée qu’une seule fois. Le jour de l’essai, une étape supplémentaire est ajoutée au processus : l’application d’un mouchetis pour réaliser la corrélation d’images (CIN).
Le Laboratoire envoie ensuite les images au Bureau d’étude pour qu’il réalise le post-traitement des données et la comparaison entre l’essai réel et la simulation avec EikoTwin DIC. Enfin, le Bureau d’étude peut utiliser les résultats de l’essai pour vérifier et, si nécessaire, mettre à jour la simulation avec EikoTwin DigitalTwin.

Conclusion

En résumé, cet article présente une étude de faisabilité sur l’utilisation des outils EikoTwin pour les essais de choc.
L’utilisation de la stéréo-corrélation d’images numérique (CIN) permet de mesurer l’ensemble du champ de déformation du siège et de suivre les déplacements du mannequin à partir de cibles positionnées stratégiquement sur certaines parties de son corps. L’essai virtuel créé avec EikoTwin Virtual a permis de simuler des images de déplacements similaires à ceux d’un essai de choc, et ces images importées dans le logiciel EikoTwin DIC ont permis de mesurer les déformations du siège et les déplacements du mannequin avec une grande précision.
Les résultats obtenus sont prometteurs et montrent le potentiel des outils EikoTwin pour améliorer l’efficacité et la précision des essais de choc dans les industries automobile, aéronautique et ferroviaire, en remplaçant les traditionnels moyens de mesures. L’utilisation de ces outils pourrait permettre de mieux comprendre les mécanismes de déformation et de rupture des produits, de réduire les coûts et les délais de développement.
En somme, cette étude de faisabilité est un pas de plus vers l’utilisation plus large des outils EikoTwin dans l’industrie, et ouvre la voie à de nouvelles perspectives pour l’innovation dans les essais de choc.