Evaluation non destructive par ultrasons des propriétés d'élasticité des matériaux anisotropes : mesure de vitesses et résolution du problème inverse

= Ultrasonic non-destructive evaluation of the elastic properties of anisotropic materials : velocity measurements and resolution of the inverse problem

• Auteur / Autrice : Ahmad Mouchtachi
• Direction : Jean-Claude Baboux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance en 1996
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMPPM - Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (Lyon, INSA ; 1975-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites

Traitement du signal

Ultrasons

Résumé

L'objectif principal de ce travail est la caractérisation mécanique complète de matériaux composites anisotropes élaborés sous forme de plaques minces (quelques millimètres) par mesures de vitesses d'ondes ultrasonores en immersion (génération et détection classique par transducteurs piézo-électriques) et sans contact (génération et détection laser). La méthode de l'immersion à incidence variable s'est révélée très efficace et performante pour la détermination des propriétés élastiques des matériaux. Son point fort est sa capacité, moyennant des techniques d'optimisation, de caractériser le comportement élastique anisotrope de différents matériaux composites à symétrie orthotrope, à partir d'une seule plaque à faces parallèles. Par ailleurs nous avons étudié les incertitudes sur les constantes d'élasticité par une méthode originale basée sur une conception probabiliste et statistique des erreurs de mesure. Cette technique est très performante pour l'évaluation des matériaux thermo-structuraux à température ambiante, cependant elle trouve de sérieuses limitations pour suivre l'évolution des propriétés mécaniques en fonction de la température. Dans ce but, nous nous sommes intéressés aux méthodes de génération laser et de détection sans contact. En générant les ultrasons par un impact laser et les détectant au moyen d'un interféromètre, nous avons étudié la propagation d'ondes dans un composite à matrice métallique renforcée par des fibres unidirectionnelles de carbone. Ces essais préliminaires ont été réalisés à température ambiante afin de déterminer les potentialités de cette approche. En simulation, nous avons résolu le problème inverse, à savoir la détermination des constantes d'élasticité à partir des vitesses de groupe.

The main objective of this work is the full elastic characterization of anisotropic composite materials which are elaborated as thin plates of a few millimeters. The elastic properties are obtained from wave velocity measurements using two devices: an immersion bench with classical piezoelectric transducers, and a contactless device based on a Nd YAG pulsed laser for the generation of ultrasounds and an interferometer probe as a receiver. The immersion technique has appeared very efficient for the determination of anisotropic elastic properties. Thanks to an optimization process; the nine independent elastic constants of orthotropic composite materials have been successfully determined from phase velocity measurements using only one sample. Furthermore, we have developed an original approach based on a statistical method to evaluate the errors on the optimized elastic constants. Because of their possibilities of following the elastic properties of materials versus temperature, we have also been interested in contactless techniques. The preliminary tests have been realized at room temperature in order to evaluate the potentialities of this approach. We have studied the wave propagation in an aluminum matrix composite reinforced with unidirectional carbon fibers. With this technique, because of the point nature of both the acoustic source and the optical probe, only group velocities can be measured. The determination of elastic constants from these velocities is a difficult task, especially when we have no information about transverse modes. So, because it is difficult to measure the velocities of these modes, we have solved this inverse problem with numerical simulated data using a particular optimization process.