Thèse Année : 2024

Numerical Modeling of Feathers

Modélisation Numérique de Plumes

Résumé

Feathers exhibit a highly anisotropic behaviour, governed by their complex hierarchical microstructure composed of individual hairs (barbs) clamped onto a spine (rachis) and attached to each other through tiny hooks (barbules). Previous methods in computer graphics have approximated feathers as strips of cloth, thus failing to capture the particular macroscopic nonlinear behaviour of the feather surface (vane). To investigate the anisotropic properties of a feather vane, we design precise measurement protocols on real feather samples. Our experimental results suggest a linear strain-stress relationship of the feather membrane with orientation-dependent coefficients, as well as an extreme stiffness in the barb direction which is four order of magnitude greater that the stiffness in the barbule direction. From these findings we build a simple continuum model for the feather vane, where the vane is represented as a three-parameter anisotropic elastic shell. However, implementing the model numerically reveals severe locking, due to the extreme stiffness ratio between the barb and the barbule directions. To resolve this issue, we align the mesh along the barb directions. We extensively validate our membrane model against real-world laboratory measurements, by using an intermediary microscale model that allows us to limit the number of required lab experiments. Finally, we enrich our membrane model with anisotropic bending, and show its practicality in graphics-like scenarios such as the constrained motion of a full feather.
Les plumes pénacées des oiseaux ont un comportement mécanique particulier qui émane de leur structure hiérarchique. Cette structure est constituée de tiges, appelées barbes, partant de d'un axe central, appelé rachis. Ces barbes s'accrochent entre elles à l'aide d'un système de crochets et gouttières liées à un autre niveau de tiges attachés aux barbes, appelées barbules. Grâce à ce système d'accroche, les barbes forment une surface élastique, appelée étendard, qui a la particularité d'être fortement anisotrope. Le coefficient de raideur dans le sens des barbs est quatre ordres de grandeur plus grand que celui dans le sens des barbules. Cette aspect mécanique des plumes n'a jamais été pris en compte dans la modélisation des plumes dans l'industrie de l'informatique graphique. À la place, les plumes sont modélisées en tant que surface élastique isotrope. Dans le cadre de cette thèse, nous analysons le comportement élastique des plumes à travers des mesures précises sur de multiples tests de traction d'échantillons d'étendard de cygnes. De cette analyse, nous tirons une relation linéaire entre la contrainte et la déformation pour le comportement membranaire fortement anisotrope de la plume. Seulement, l'implémentation numérique de ce modèle à travers des éléments finis rencontre un problème de verrouillage. Nous résolvons ce problème en alignant les éléments avec la direction de plus grande raideur. Ce modèle est ensuite validé contre d'autres expériences de tractions, eux aussi sur des échantillons de cygnes. Dans le but de réduire le nombre d'expériences à faire, nous introduisons un modèle intermédiaire de l'étendard à une échelle plus basse et nécessitant moins d'expériences pour être validé. Notre modèle plus haut niveau peut ensuite être validé contre ce modèle, les expériences nécessaires étant produites à travers une simulation du modèle bas niveau. De plus, nous montrons que notre modèle peut être utilisé pour des applications en informatique graphique à travers l'implémentation préliminaire d'une plume complète que nous comparons au comportement d'une plume réelle ainsi qu'au modèle isotrope actuellement utilisé en informatique graphique.
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  • HAL Id : tel-04907080 , version 1

Citer

Jean Jouve. Numerical Modeling of Feathers. Modeling and Simulation. Université Grenoble Alpes, 2024. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04907080⟩
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