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Ann. For. Sci.
Volume 59, Number 7, November 2002
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Page(s) | 767 - 776 | |
DOI | https://doi.org/10.1051/forest:2002063 |
DOI: 10.1051/forest:2002063
Predicting oak wood properties using X-ray inspection: representation, homogenisation and localisation. Part I: Digital X-ray imaging and representation by finite elements
Éric Badel and Patrick PerréLaboratoire d'Étude et de Recherche sur le Matériau Bois, UMR 1093 INRA/ENGREF/Université Henri Poincaré Nancy I, ENGREF, 14, rue Girardet, 54042 Nancy Cedex, France
(Received 8 January 2002; accepted 21 May 2002)
Abstract
This paper is the first part of a complete modelling where wood is a 2D composite material.
It proposes a comprehensive approach to predict the elastic and shrinkage properties of oak
wood in the transverse plane from the local properties of the anatomical tissues and the
actual morphology of those tissues. Part I is devoted to the methodology of representation.
According to oak anatomy, the representative elementary volume used in this work consists of
one annual ring limited in the tangential direction by large zones of ray cells. A
high-resolution digital X-ray imaging device was built to represent the spatial distribution
of tissues directly from cross-sections of wood. A complete image processing, including image
segmentation and partitioned boundaries of tissues (ray cells, big vessels, etc.), was
developed; which makes it possible to build a finite element mesh from these images. Thanks
to the control of mesh refinement, the number of triangular elements is minimized while a good description of the anatomical
structure is obtained. Using these F.E. meshes, Part II will present the homogenization principle and a few examples of calculations
of the properties. Macroscopic properties (mechanical and shrinkage) and some localization problems are computed and illustrated.
Résumé
Utilisation de l'imagerie X pour la prédiction du bois de chêne :
représentation, homogénéisation et localisation. Partie I : Imagerie X
numérique et représentation par éléments finis.
Cet article est la
première partie d'une modélisation complète dans laquelle le bois est
considéré comme un matériau composite bidirectionnel. Nous proposons une
approche déterministe permettant de prédire les propriétés élastiques et
de retrait du chêne dans le plan transverse à partir des propriétés locales
des tissus qui le composent et de leur distribution spatiale. Cette première partie (Part I)
est dédiée aux processus de description du matériau qui permettront ensuite
d'effectuer les calculs de prédiction. Le plan ligneux particulier du chêne a
conduit à définir un volume élémentaire d'étude composé d'un
accroissement annuel délimité dans la direction tangentielle par les gros rayons
ligneux. Un dispositif d'imagerie X numérique de hautes résolutions spatiale et
quantitative a été développé afin d'accéder au plan d'organisation des
tissus. Un processus de segmentation et de description des contours des différentes plages de
tissu (rayons ligneux, gros vaisseaux, etc.) a ensuite été mis au point. Il permet
d'utiliser l'image obtenue et de créer un maillage par éléments finis
représentatif du matériau composite. La flexibilité de la méthode permet
d'optimiser le nombre d'éléments triangulaires tout en conservant une description
fidèle de la structure naturelle. La seconde partie (Part II) présentera le principe du
calcul d'homogénéisation réalisé à partir des maillages
précédemment obtenus (Part I). Les calculs des propriétéés macroscopiques
(mécanique élastique + retrait) du matériau et du champ de microcontraintes
seront illustrés par quelques exemples sur des structures réelles de bois de
chêne.
Key words: wood / anatomy / image / X-ray / finite element mesh
Mots clés : bois / anatomie / image / rayons X / maillage par éléments finis
Correspondence and reprints: Éric Badel Tel.: 03 83 39 68 86; fax: 03 83 39 68 47; badel@engref.fr
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