Predicting of oak wood properties using X-ray inspection: representation, homogenisation and localisation. Part II: Computation of macroscopic properties and microscopic stress fields

Patrick Perre , Eric Badel

This paper is the second part of a comprehensive approach that allows the elastic and shrinkage properties of oak to be determined from the properties of the anatomical tissues and the spatial distribution of those tissues, obtained by a high resolution digital X-ray imaging device. The computation of the macroscopic properties employs a 2-D numerical tool, called MorphoPore, that utilises periodic homogenisation over the representative volume. The paper starts with the derivation of the mechanical formulation and analyses the effect of mesh refinement on the overall solution quality. Thereafter, a first example is presented that depicts the effect of fibre proportion and fibre zone shape on the macroscopic properties using a virtual anatomical pattern and a second example uses finite element meshes built from actual patterns coming from two positions of the same tree, just before and just after thinning the forest stand. The approach presented in this research allows the increase of rigidity and shrinkage coefficients due to the increase of the annual ring width to be quantified. Finally, two localisation problems are proposed in which the micro-stress fields are computed from the macroscopic loading. The first case assumes that no macroscopic stress field exists (free shrinkage configuration), whereas the second assumes that the macroscopic displacement is constrained along one direction (drying configuration).

Utilisation de l'imagerie X pour la prédiction du bois de chêne : représentation, homogénéisation et localisation. Partie II : Calcul des propriétés macroscopiques et des champs de micro-contraintes. Cet article est la deuxième partie d'une approche complète qui permet de prédire les propriétés élastiques et de retrait du chêne à partir des propriétés des tissus qui le composent et de leur distribution spatiale décrite par un système d'imagerie X de haute résolution spatiale. Le calcul des propriétés macroscopique est effectué par homogénéisation de milieux périodiques sur un volume élémentaire représentatif à partir d'un code numérique 2-D, appelé MorphoPore. Ce papier commence par la présentation de la formulation mécanique. Viennent ensuite quelques considérations sur l'effet du raffinement du maillage numérique. À l'aide de plans ligneux virtuels, le premier exemple d'application montre l'effet de la proportion des fibres et de la forme de zone de fibres sur les propriétés macroscopiques. Le deuxième exemple utilise deux plans ligneux réels, provenant du même arbre. La seconde zone produite juste après éclaircie, a un accroissement annuel très important. Notre approche permet de quantifier l'augmentation des rigidités et des coefficients de retrait. Enfin, deux exemples de localisation sont proposés. Cette démarche permet le calcul des champs de micro-contraintes à partir du chargement macroscopique de la structure. Le premier cas considère l'absence de contrainte macroscopique (retrait libre) tandis que le deuxième considère que le déplacement est bloqué selon une direction (zone externe d'une planche durant le séchage).

Mots clés: wood; homogenisation; modelling; numerical computation<br>---<br>bois; homogénéisation; modélisation; calcul numérique

Domaines: Sylviculture, foresterie

Patrick Perre, Eric Badel. Predicting of oak wood properties using X-ray inspection: representation, homogenisation and localisation. Part II: Computation of macroscopic properties and microscopic stress fields. Annals of Forest Science, 2003, 60 (3), pp.247-257. ⟨10.1051/forest:2003016⟩. ⟨hal-00883696⟩