Contrôle Santé des Structures Composites : application à la Surveillance des Nacelles Aéronautiques.

Structural Health Monitoring of Composite Structures : application to the Monitoring of Aeronautical Nacelles.

• Auteur / Autrice : Claude Fendzi
• Direction : Gérard Coffignal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 14/12/2015
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) - Procedes et Ingenierie en Mécanique et Matériaux [Paris]
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Antoni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Coffignal, Nazih Mechbal, Marc Rébillat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Le Duff, Antoine Grall

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions -- Matériaux

Plates-formes élévatrices mobiles de personnel

Composites

Mots clés libres

Ondes de Lamb

Matériaux composites

Détection et localisation d'endommagements

Capteurs/actionneurs

Acp

Mcmc

Lamb Waves

Composite Materials

Damage detection and localization

Sensors/actuators

Pca

Mcmc

Résumé

Ce travail de thèse concerne la surveillance de l’état de santé de structures complexes en service. Elle est appliquée à des éléments d’une nacelle d’avion gros porteur. Ce travail est original et s’inscrit dans le cadre d’un projet, coordonné par AIRBUS Operations SAS et porté par AIRCELLE (Groupe SAFRAN). Les principales parties de la nacelle visées par notre démarche sont le capot de soufflante (fan cowl, composite monolithique) et la structure interne fixe du capot coulissant de l’inverseur de poussée (IFS, sandwich nid d’abeille). Ces structures réalisées en matériaux composites sont sujettes à de nombreux modes de dégradation(rupture de fibres, délaminage, fissures, etc…), qui peuvent impacter la durée de vie de la nacelle. De plus elles sont exposées à de nombreuses sollicitations environnementales dont des variations thermiques importantes (de -55 °C à +120°C). L’objectif de ce travail est la mise en place d’un système SHM visant à suivre l’état de santé de ces structures afin de détecter l’apparition de tels endommagements et de les localiser avant qu’ils ne conduisent à une dégradation de la structure; ceci de manière à permettre une maintenance prédictive. Des capteurs et actionneurs piézoélectriques (PZT) sont collés sur la structure et sont utilisés pour générer des ondes de Lamb et effectuer des mesures. La démarche SHM proposée s’appuie sur des mesures successives en partant d’un état initial considéré comme sain, puis en réalisant régulièrement des mesures de suivi. La différence entre des signaux mesurés pour deux états est analysée afin d’en extraire des caractéristiquessensibles à l’apparition de dommages. Après validation, des PZT ont été collés sur le fan cowl et l’IFS ainsi que sur des coupons et un banc d’essai approprié a été conçu afin de valider notre démarche. Du fait que l’on est amené à travailler sur des différences de signaux, des algorithmes de détection, basés sur les testsd’hypothèses statistiques et l’Analyse en Composantes Principales (ACP), ont dû être développés et validés. Ceci a d’abord été testé pour la détection de dommages contrôlés introduits d’abord dans des coupons, puis dans le fan cowl et dans l’IFS. Des algorithmes robustes (y compris aux variations de température) de localisation de ces dommages, basés sur l’extraction des temps de vol des ondes de Lamb, ont été développés et validés sur les structures étudiées. Une approche de quantification des incertitudes sur la localisation par inférence Bayésienne a été proposée en complément de la démarche déterministe implémentée.

This work aims at designing a Structural Health Monitoring (SHM) system for complex composite structures, with an application to elements of aeronautical nacelles. This work is original and is in the framework of a project, coordinated by AIRBUS Operations SAS and headed by AIRCELLE (SAFRAN Group). The main parts of the nacelle concerned with our approach are the fan cowl (composite monolithic) and the inner fixed structure (IFS, sandwich structure with honeycomb core) of the thrust reverser. These structures made from composite materials are subjected to many damages types which can affect nacelle’s useful life (fiber breaking, delamination, crack, etc…). Furthermore these structures are exposed to many environmental constraints which are for instance important thermal variations (from -55°C to +120°C). The objective of this work is to develop a SHM system aimed at detecting and localizing these damages, before the degradation of the whole structureoccurs. Piezoelectric (PZT) actuators and sensors are bonded on the structure and they are used to generate Lamb wave signals and perform measurements. The proposed SHM approach is based on successive measurements starting from an initial state, considered as healthy and regularly conducting follow-up. The difference in signals measured between two states is analyzed in order to extract some damages-sensitivesfeatures. After validation, PZT elements were glued to the fan cowl and to the IFS as well as on representative coupons and a suitable test bench is designed in order to validate our approach. Since one has to work on difference in signals, damage detection algorithms based on statistical hypothesis testing and PrincipalComponent Analysis (PCA) have been developed and validated. This was first tested for the detection of controlled damages introduced in coupons, and thereafter on the fan cowl and IFS. Robust damage localization algorithms (including with temperature variations) based on Time-of-flight (ToF) extraction from difference in signals, were developed and validated for these structures. A Bayesian approach for uncertainties quantification in the damage localization is also developed, leading to more accuracy in the damage localization results.