Validation des modèles numériques par DIC : Application aux essais d’impact oiseau

Dans les industries aéronautiques et automobiles, la résistance des structures aux différentes menaces en vitesse est un gage de certifiabilité. En aéronautique, la certification au  « Bird Strike » (impact oiseau) est un enjeu majeur pour la sécurité et la certification des équipements et systèmes. Des essais sont réalisés afin de permettre non seulement d’évaluer l’intégrité structurelle des matériaux, mais aussi de valider les modèles numériques utilisés en conception. En effet, la simulation joue un rôle croissant dans la qualification et la certification des produits, en réduisant le recours à des tests physiques coûteux et chronophages. Cependant, cette transition vers la simulation exige une validation rigoureuse des modèles à partir de données expérimentales fiables et représentatives.

La corrélation d’images numériques (DIC) s’impose comme une méthode clé pour fournir des données plein champ (déplacements, déformations) directement exploitables pour le recalage et la validation des simulations d’impact oiseau. Contrairement aux capteurs ponctuels, la DIC permet d’accéder à une cartographie spatiale et temporelle complète des phénomènes dynamiques, essentielle pour identifier les sources d’écart entre essai et calcul, et ainsi améliorer la prédictivité des modèles.

Dans ce contexte, EikoSim a accompagné Saint-Gobain Aerospace pour analyser le comportement de vitrages plans en PMMA soumises à des impacts « Bird Strike », en utilisant le logiciel EikoTwin DIC. L’objectif était double :

• Caractériser expérimentalement la réponse dynamique des plaques (monolithiques et feuilletées) sous différents scénarios d’impact.
• Fournir des données de référence pour la validation des modèles éléments finis, notamment en termes de champs de déplacement, de déformation, et de propagation de fissures.

Cette étude illustre comment la DIC, combinée à une méthodologie d’étalonnage et de post-traitement rigoureuse, permet de réduire les écarts essai/calcul et d’améliorer la confiance dans les simulations d’impact oiseau. Les résultats obtenus mettent en lumière l’apport des capteurs virtuels et des cartes de résidus de corrélation pour détecter des phénomènes locaux (ondes de choc, amorçage de fissures) difficiles à capturer par des méthodes traditionnelles.

Description du banc d’essai et du protocole expérimental

Pour reproduire les conditions d’un impact « Bird Strike », un banc d’essai spécifique a été conçu, permettant de projeter un impacteur mou à haute vitesse sur des plaques en PMMA (monolithiques et feuilletées). L’instrumentation a été optimisée pour fournir des données exploitables à la fois pour l’analyse expérimentale et la validation des modèles numériques, avec des caméras à l’arrière des plaques impactées.

Dispositif expérimental

La zone d’intérêt pour la mesure DIC est une zone centrale de 1000 x1000 mm², incluant la plaque et son système de maintien (« retainer métallique »). Le système d’acquisition est constitué de :

• 2 caméras haute vitesse (Phantom VEO1310, 10 kHz) positionnées en stéréo (angle de 20°, distance inter-caméra de 1 090 mm, distance de mesure de 2 970 mm).
• Objectifs : Focales de 50 mm (zone large) et 100 mm (zone localisée) pour adapter la résolution spatiale aux besoins de l’analyse.
• Mouchetis : Motif aléatoire appliqué par pochoir (taille caractéristique de 3 à 5 mm), optimisé par rapport à la résolution des caméras.
• Éclairage : Panneaux LED haute puissance pour garantir un contraste suffisant et minimiser les artefacts liés aux mouvements rapides.

Les objectifs pour la validation des modèles reposent sur plusieurs aspects clés. La comparaison des champs de déplacement et de déformation obtenus par DIC avec ceux issus des simulations est rendue possible par la projection directe des données expérimentales sur le maillage éléments finis de la plaque. Cette approche permet une analyse nœud-à-noeud, essentielle pour identifier les écarts entre essai et calcul.

La détection des phénomènes locaux, tels que l’amorçage et la propagation des fissures, est assurée par une instrumentation adaptée : une zone de mesure localisée permet une observation fine des détails, tandis qu’une zone large offre une vision globale de la réponse structurale. 

Concernant la préparation des essais, un étalonnage rigoureux a été réalisé à l’aide d’une mire ChArUco. Cette étape a permis de déterminer avec précision les paramètres intrinsèques et extrinsèques des caméras, tout en corrigeant les distorsions optiques. Enfin, la synchronisation des caméras et de l’acquisition des données avec le déclenchement de l’impact assure une correspondance temporelle exacte entre les images expérimentales et les simulations, condition indispensable pour une validation robuste des modèles numériques.

Résultats et analyses

Les essais impact oiseau instrumentés par DIC ont permis d’obtenir des champs complets de déplacement et de déformation sur les plaques en PMMA, directement exploitables pour la validation des modèles éléments finis. Les principaux résultats et leur interprétation sont détaillés ci-dessous.

L’analyse des champs de déplacement met en lumière une visualisation temporelle détaillée sur une durée de 10 ms. Les cartographies du déplacement normal ont  révélé la très faible dispersion entre deux essais successifs à même vitesse, avec un pic d’amplitude observé entre 2 et 4 ms après l’impact.

La comparaison entre les champs expérimentaux et les résultats de simulation montre une bonne corrélation globale, confirmant la pertinence des modèles utilisés. Cependant, des écarts locaux, en particulier près des bords du retainer, ont été identifiés. Ces différences peuvent s’expliquer par un point d’impact différent entre l’essai et le calcul et par certaines hypothèses de modélisation (loi de comportement non linéaires requises).

L’analyse des données issues des capteurs virtuels permet de suivre l’évolution temporelle des déplacements aux points stratégiques, notamment au centre de la plaque et dans la zone d’impact. Les courbes obtenues révèlent une réponse dynamique typique, marquée par un pic de déplacement initial suivi d’oscillations progressivement amorties. Ces résultats expérimentaux constituent une référence précieuse pour ajuster les paramètres du modèle numérique, tels que les paramètres matériaux ou les coefficients d’amortissement, afin d’améliorer la fidélité des simulations.

Par ailleurs, l’étude des déformations principales, telles que E11 et E22, montre qu’elles atteignent des valeurs importantes dans la zone d’impact. Ces observations confirment la nécessité d’utiliser des lois de comportement non linéaires dans les simulations pour représenter fidèlement la réponse du matériau sous sollicitations extrêmes.

L’analyse des champs de déformation met en évidence des cartographies détaillées des déformations principales E11 et E22. Les résultats montrent que les déformations maximales se concentrent autour du point d’impact, avec une asymétrie particulièrement marquée pour les plaques feuilletées.

L’étude des résidus de corrélation révèle des pics organisés en cercles concentriques, signatures caractéristiques de la propagation des ondes de choc. Ces zones de résidus élevés correspondent aux discontinuités. Cette approche permet de valider finement les mécanismes d’endommagement et d’affiner la prédiction des phénomènes critiques.

L’analyse des écarts entre les résultats expérimentaux et les simulations met en lumière plusieurs facteurs explicatifs. Dans ce type de modèles, la modélisation du contact entre l’impacteur mou et la plaque joue un rôle clé : en l’occurrence une observation fine a permis de détecter que la position de l’oiseau devrait être déplacée vers le bas de la plaque. Par ailleurs, le comportement non linéaire du PMMA lui-même contribue à ces écarts. Ces éléments soulignent l’importance d’affiner les modèles pour mieux représenter les conditions réelles de sollicitation.

L’apport de la corrélation d’images numériques (DIC) pour la validation des modèles numériques d’impact oiseau se révèle déterminant à plusieurs égards. Tout d’abord, la DIC permet de confirmer la pertinence des hypothèses relatives aux conditions aux limites, notamment en ce qui concerne la fixation de la plaque par le retainer. Grâce à cette méthode, il devient possible d’ajuster les modèles si l’écart avec le résultat expérimental le nécessite, assurant ainsi une représentation plus fidèle des conditions réelles.

En outre, la DIC excelle dans la détection des phénomènes non linéaires, tels que l’apparition de fissures ou de délaminage. Cette capacité à capturer des phénomènes complexes renforce la robustesse des simulations et permet une validation plus complète des modèles.

Discussion

Cette étude démontre l’apport majeur de la corrélation d’images numériques (DIC) pour la validation des modèles numériques dans le cadre d’essais dynamiques comme le « Bird Strike ». La corrélation d’images numériques (DIC) présente des avantages majeurs pour la validation des modèles numériques. Contrairement aux capteurs ponctuels, elle fournit des champs complets de déplacement et de déformation, permettant d’identifier précisément les zones où les simulations s’écartent de la réalité, comme aux abords du retainer ou lors de la propagation de fissures. Grâce à l’extraction de courbes temporelles en des points stratégiques, les capteurs virtuels offrent une précision inégalée pour le recalage des paramètres du modèle, tels que le module d’élasticité, l’amortissement ou les critères de rupture.

Cependant, cette méthode n’est pas exempte de défis. La qualité des mesures dépend étroitement des conditions expérimentales, notamment de l’étalonnage, de l’éclairage et du mouchetis. Une préparation inadéquate peut introduire des biais, particulièrement aux hautes vitesses de déformation. Par ailleurs, les impacts de type « Bird Strike » engendrent des gradients de déformation importants, difficiles à capturer même avec des maillages fins, ce qui souligne la nécessité de combiner la DIC avec des simulations pour une validation robuste. Bien que les incertitudes de mesure en déplacement restent faibles, de l’ordre de 20 µm pour les déplacements, elles doivent être prises en compte dans l’interprétation des écarts entre essais et calculs, surtout pour les déformations locales.

Comparée à d’autres méthodes de mesure sur ces essais d’impact oiseau, la DIC se distingue par sa capacité à fournir une vision globale des phénomènes, là où les jauges de déformation ne délivrent que des données ponctuelles, souvent insuffisantes pour valider des modèles 3D complexes. Contrairement aux accéléromètres, qui se limitent à mesurer des accélérations, la DIC capture directement les déformations, offrant ainsi des informations bien plus pertinentes pour le recalage des lois de comportement.

A l’avenir, l’intégration des données DIC dans des algorithmes d’optimisation pourrait permettre un recalage automatique des paramètres des modèles, comme les lois de comportement du PMMA ou les conditions de contact. Une approche hybride, combinant la DIC avec des méthodes numériques avancées (telles que la SPH pour l’impacteur et les éléments finis pour la plaque), permettrait de mieux reproduire des phénomènes complexes, tels que la propagation des ondes de choc ou l’endommagement progressif qui apparaissent souvent lors d’impact oiseaux.