Fiabilité prévisionnelle de la tenue en service de composants mécaniques en présence d’amas de porosités détectés et caractérisés par contrôle non destructif ultrasonore

Forecast reliability of the in-service performance of mechanical components in the presence of clusters of porosities detected and characterized by ultrasonic non-destructive testing

• Auteur / Autrice : Julien Vasseur
• Direction : Salim Chaki
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 01/07/2020
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Lille Douai
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IMT Lille Douai
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Panier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Duquennoy, Dmytro Vasiukov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marion Risbet-Voitot, Mourad Bentahar

Mots clés

Mots clés libres

Porosité

Ultrasons multiéléments

Diffusion multiple

Simulation numérique

Contrôle non destructif

Fmc/tfm

Durée de vie en fatigue

Porosity

Phased array ultrasonic testing

Multiple scattering

Numerical simulation

Non-Destructive testing

Fatigue lifetime prediction

Résumé

Ces travaux de thèse ont pour objectif de définir une méthodologie permettant d’estimer de manière réaliste la durée de vie d’une structure en alliage d’aluminium (aluminium 7075-T6) contenant des amas porosités. Le choix technique retenu vise à détecter et caractériser ces porosités au moyen de contrôles non destructifs (CND) par ultrasons et de corréler les images ultrasonores obtenues à des mesures de fatigue. Dans le cadre de nos travaux, ce problème est ramené à une étude 2D où l’amas de porosités est représenté par un ensemble de trous-génératrices usinés, dont les caractéristiques géométriques sont totalement contrôlables, contrairement à celles de la porosité réelle. En partie ultrasonore, un effort particulier est apporté dans la prise en compte des effets de diffusion multiple existant entre les défauts lors du contrôle. Une étude comparative du modèle d’imagerie ainsi développé est menée en confrontant nos simulations à d’autres simulations d’imagerie simplifiées (effectuées sur le logiciel CIVA) mais également à des mesures expérimentales. En partie fatigue, une résolution d’un cas très complexe s’avère nécessaire, puisqu’il implique des possibilités de multi-amorçage et de couplage local de modes de sollicitation. Ce problème de la propagation de la fissure en fatigue est résolu par la méthode G-Ө. Nous montrons l’efficacité de la méthodologie employée en comparant les résultats de durée de vie qu’elle permet de prédire et ceux trouvés expérimentalement par essais de fatigue. Enfin, afin de faire le lien entre le domaine du CND et celui de la mécanique de la rupture, nous présentons une méthode permettant d’estimer la tenue en fatigue d’une éprouvette au vu de son imagerie obtenue suite à son contrôle ultrasonore. Cette démarche permet ainsi de proposer une méthodologie originale couplant le contrôle ultrasonore et la fatigue, en mettant en place un chaînage entre les deux domaines pour la fiabilisation de la prédiction de la durée de vie des structures en fatigue.

This work aims at defining a methodology for the lifetime estimation of aluminum alloy structures (aluminum 7075-T6) according to the properties of porosity clusters contained in the sample. We chose to use advanced ultrasonic imaging techniques to detect and characterize these porosities and then to correlate the ultrasonic images obtained with fatigue measurements. In the framework of our study, the problem is simplified with a 2D study where the cluster of porosities is represented as a set of side-drilled holes (SDH) whose geometric characteristics are fully controllable, unlike those of real porosity. A special effort is made to estimate the effects of multiple scattering due to wave interactions between defects. A comparative study of the imaging model thus developed is carried out by comparing our simulations including multiple scattering with other simplified simulation results (carried out on CIVA software) but also with experimental measurements. Concerning fatigue study, a phenomenological approach is suggested to take into account multi-cracks initiation and local multi-mode behaviour generated by the cluster of defects. Therefore, crack propagation is solved by a G-Ө finite element method for prediction of the fatigue lifetime of different samples with different cases of cluster of defects. Numerical and experimental results were compared showing that the suggested methodology gives realistic lifetimes despite of complexity of the studied cases. Finally, the overall originality of this thesis consists in making a direct link between NDT results and fatigue calculation. Thus, a method for estimating the fatigue life of a specimen based on inversed ultrasonic images of defects is suggested and applied on some studied cases.