Les plugins thermiques de la suite EikoTwin

• Par Clara Minguet, Ingénieure de recherche chez EikoSim

Afin de répondre aux besoins spécifiques des clients et d’étendre l’utilisation de la suite logiciel EikoTwin à d’autres domaines, EikoSim a développé deux nouvelles extensions optionnelles : les plugins thermiques DIC et DT. Comme leurs noms l’indiquent, le plugin thermique DIC est utilisable dans le logiciel EikoTwin DIC et le plugin thermique DT dans le logiciel EikoTwin Digital Twin. Le plugin thermique DIC permet d’afficher le champ de températures mesurées directement sur le maillage de la simulation dans EikoTwin DIC. Le plugin thermique DT, quant à lui, permet de créer une simulation augmentée avec des conditions aux limites thermiques dans EikoTwin Digital Twin. L’utilisation de ces extensions est particulièrement intéressante pour des essais faisant intervenir une sollicitation thermique potentiellement combinée à une sollicitation mécanique.

Le plugin thermique DIC dans EikoTwin DIC

Import des images

Après installation de l’extension, l’utilisateur a désormais la possibilité, dans le logiciel EikoTwin DIC, d’importer des images au format .mat (Matlab) prises par une caméra infrarouge (voir Figure 1). Deux familles d’images IR sont lisibles par le plugin thermique DIC. Elles se différencient par le type des données fournies en chaque pixel dans l’image :

• Des niveaux numériques (digital levels ou DL en anglais) ;
• Des températures en °C.

Les niveaux numériques (DL) correspondent aux données brutes enregistrées par une caméra IR (accumulation du flux de photons au niveau du capteur de la caméra). Les températures sont elles calculées par le logiciel d’acquisition des images IR, en convertissant les données brutes (DL) en températures selon une loi de conversion associée à la caméra IR et à plusieurs paramètres. Parmi ces paramètres, on retrouve les paramètres de la caméra (gamme de longueurs d’onde, gain de la caméra…), les paramètres d’acquisition tels que le temps d’intégration mais également un paramètre matériau qui est l’émissivité. Pour la plupart des logiciels d’acquisition, cette émissivité est supposée constante sur la gamme de température, fixée à une valeur fournie par l’utilisateur. Cette hypothèse est souvent vraie, dès lors que le matériau ne subit pas un grand gradient de température.

Ainsi, afin de fiabiliser les températures mesurées pour des matériaux dont l’émissivité varie avec la température et qui sont soumis à d’importants gradients thermiques, il est possible d’importer des images IR contenant des données en DL et de laisser le plugin thermique DIC déterminer la loi de transfert qui permet de convertir les niveaux numériques en températures (en °C). Pour l’import d’images brutes en niveaux numériques, l’utilisateur doit fournir au logiciel les caractéristiques de la caméra (supposée monochromatique) : la longueur d’onde, le temps d’intégration ainsi que les coefficients s et DL₀ déterminés lors de l’étalonnage de la caméra IR par un corps noir. Il doit également indiquer l’évolution de l’émissivité du matériau de la pièce d’intérêt, déterminée au préalable, en fonction de la température. A partir de ces données, le plugin thermique DIC va ainsi estimer cette loi de conversion entre les niveaux numériques et les températures (en °C).

L’utilisateur peut également fournir au logiciel l’incertitude sur la mesure de l’émissivité pour des images en niveaux numériques et quelque soit le type d’image, le bruit thermique de chacune des caméras paramétré par la formule suivante :

Ces données sont utilisées par le logiciel pour calculer les matrices de covariance thermique qui pourront être exportées par la suite. Si l’utilisateur ne souhaite pas récupérer ces matrices, il peut alors laisser les valeurs d’incertitude et de bruit par défaut.

Post-traitement des images

Le post-traitement des images IR dans EikoTwin DIC est identique à celui des images visibles. Pour rappel, dans un premier temps, l’utilisateur importe le maillage de simulation, sélectionne le maillage de mesure et réalise un pré-étalonnage par clics de points sur l’image et sur le maillage.

Cependant, les images IR ont la particularité de ne pas toujours précisément traduire le caractère accidenté de la pièce (voir Figure 1), car le contraste visible sur des images infrarouge provient d’une réelle différence de température, ou d’une différence d’émissivité notable. Par conséquent, certains éléments distinctifs de la surface de la pièce facilement repérables dans une image visible ne le seront pas dans une image IR. Une procédure classique pour pallier cette problématique est l’utilisation d’images de référence. En effet, après avoir validé de façon définitive la configuration de l’essai et de son environnement, l’utilisateur prend des images au repos avec les caméras thermiques en chauffant les éléments distinctifs de la surface de la pièce non visibles dans les images IR. L’import de ces images dans EikoTwin DIC dans l’onglet « Pré-Etalonnage » va grandement simplifier le clic des points sur les images (voir Figure 2).

L’étape suivante d’étalonnage reste identique à la procédure classique.

Pour finir, dans l’onglet « Déplacement », le plugin thermique DIC permet de calculer les températures en chacun des nœuds du maillage (voir Figure 3). Le champ de températures obtenu est affichable directement sur le maillage de simulation ainsi que le champ des différences de températures entre mesure et simulation si l’utilisateur importe un résultat de simulation thermique ou thermomécanique. Dans le cadre d’un couplage de mesures cinématiques et thermiques, ces données sont mesurées à partir de chaque image IR sur le maillage déformé. Il est également possible d’utiliser le plugin thermique DIC avec uniquement des images IR mais dans ce cas, les champs sont fournis sur le maillage non déformé. Enfin, ces données de température peuvent être exportées au format .csv ou .vtu.

Une dernière fonctionnalité spécifique au plugin thermique DIC est disponible dans l’onglet « Capteurs » du logiciel. L’utilisateur peut créer des capteurs virtuels de type « Thermocouple » et « Pyromètre » et afficher leurs données dans un graphe (voir Figure 4). Le capteur « Thermocouple » mesure la température en un nœud du maillage. Le capteur « Pyromètre », quant à lui, réalise une moyenne de la température aux nœuds compris dans la zone du maillage caractérisée par le rayon choisi par l’utilisateur.

Le plugin thermique DT dans EikoTwin Digital Twin

Après installation de l’extension, l’utilisateur peut charger dans EikoTwin Digital Twin un projet préalablement post-traité dans EikoTwin DIC avec le plugin thermique DIC. A savoir que pour pouvoir réaliser un post-traitement dans EikoTwin Digital Twin avec le plugin associé, il est nécessaire d’avoir des mesures de déplacements en plus des mesures de températures. Les actions disponibles avec le plugin thermique DT dans le premier onglet du logiciel restent les mêmes que celles décrites précédemment pour l’autre plugin thermique dans les onglets « Déplacement » et « Capteurs » d’EikoTwin DIC.

Dans l’onglet « Conditions aux limites », le plugin thermique DT permet de créer des conditions aux limites en température à partir des données mesurées. L’utilisateur peut ainsi imposer dans sa simulation Abaqus la température aux nœuds de surface qu’il a sélectionné, pour lesquels des mesures thermiques sont disponibles. Le nouveau modèle mis à jour avec les conditions aux limites thermiques expérimentales peut ensuite être exporté.

La suite du post-traitement dans EikoTwin Digital Twin reste inchangée par rapport à la procédure classique.

Si les plugins thermiques vous intéressent, n’hésitez pas à vous rapprocher de votre contact chez EikoSim ou à nous contacter via l’interface de contact de notre site internet.

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Références bibliographiques

[1] M. Berny, High-temperature tests for ceramic matrix composites: from full-field regularised measurements to thermomechanical parameter identificationl parameter identification. Thèse de doctorat (en anglais), Université Paris-Saclay, 2020.