Ondes de Lamb dans les milieux stratifiés : application à la surveillance in situ et en temps réel de l'endommagement de structures composites

= Lamb waves in laminated media : application to the in situ and real time damage monitoring in composite structure

• Auteur / Autrice : Thomas Monnier
• Direction : Philippe Guy, Jean-Claude Baboux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMPPM - Groupe d’Etudes de Métallurgie Physique et de Physique des Matériaux (Lyon, INSA1975-2007)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ultrasons

Composites

Lamb, Ondes de

Résumé

Par la qualité et la variété de leurs propriétés mécaniques, les matériaux composites s'imposent désormais en remplacement des matériaux traditionnels. Mais nombreux sont les processus d'endommagement observés dans ces matériaux hétérogènes. Aussi, le développement de leur usage en tant qu'éléments de structure primaires reste limité par l'importance des coûts des inspections requises pour déceler l'apparition de défauts internes. Nous avons cherché à définir une méthode d'évaluation non-destructive in situ de l'état de santé des composites, afin d'offrir une meilleure sécurité opérationnelle des structures à moindre coût. Cette technique de contrôle actif s'inscrit dans la thématique des Structures et Matériaux Intelligents car elle repose sur l'intégration à la structure hôte de capteurs, pour la génération et la mesure de perturbations ultrasonores, et de systèmes de traitement de donnée associés. Vecteurs privilégiés de l'information dans les plaques minces, les ondes de Lamb ont vu dans ce travail leur concept se généraliser au cas des matériaux anisotropes stratifiés. La propagation et les caractéristiques de ces modes dispersifs ont été étudiées en relation avec les propriétés microstructurales et la conformation de divers milieux stratifiés. En particulier, nous avons étudié l'influence de la séquence d'empilement des plis sur les courbes de dispersion des ondes de Lamb. La réalisation de plaques instrumentées a permis la détection expérimentale de défauts artificiels ou plus réalistes grâce à la définition de paramètres d'endommagement, basés sur l'analyse en temps réel des signatures ultrasonores transmises à l'intérieur de la structure. L'emplacement des défauts a été estimé par des mesures échographiques en ondes de Lamb. Enfin, nous avons tenté d'apprécier la sensibilité relative des modes de Lamb fondamentaux à l'aide de simulations numériques de l'interaction entre ces ondes guidées et différents types de défauts localisés par la méthode des éléments finis à deux dimensions.

Because of the quality and the variety of their mechanical properties, the composite materials are now commonly replacing traditional materials. But, there are many different damage processes to be observed in these kind of heterogeneous materials. Hence, the growth of their use as primary structure remains limited by the significant costs of the inspection, which are required to detect the appearance of internal defects. We sought to define an in situ non-destructive method for the health monitoring of composites, in order to achieve a better operational safety of the structures at lower cost. This active-control method agrees with the concept of Smart Materials and Structures as it consists in the integration into the host structure of sensors, for the generation and the measurement of ultrasonic waves, and associated data processing systems. As Lamb waves are the privileged information carrier in thin plated, their modelling was extended in this work to anisotropic laminated materials. The propagation and the characteristics of these dispersive modes were studied in relation to the microstructural properties and the geometry of various laminated mediums. In particular, we studied the influence of the stacking sequence of the plies on the Lamb waves dispersion curves. The realisation of instrumented plates allowed the experimental detection of artificial or more realistic defects thanks to the definition of parameters of damaging parameters, which were based on the real tie analysis of the ultrasonic signatures transmitted inside the structure. The location of the defects was estimated by lamb waves echographic measurements. Finally, we sought to assess the relative sensitivity of the fundamental Lamb modes by the use of numerical simulation of the interaction between theses guided waves and various types of localised defects, through the two dimensional Finite Elements Method.