Ann. For. Sci. 59 (2002) 767-776
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 Perré

Laboratoire 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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