Thermographie infrarouge de champs ultrasonores en vue de l’évaluation et du contrôle non destructifs de matériaux composites

Infrared thermography of ultrasonic fields for the evaluation and non-destructive testing of composite materials

• Auteur / Autrice : Thierry Kouadio
• Direction : Christophe Bacon, Anissa Meziane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 08/07/2013
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux - Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux / I2M
• Jury : Président / Présidente : Michel Grédiac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Dumas, Christophe Pradère
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Fudym, Agustin Salazar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contrôle non destructif par thermographie infrarouge

Fiabilité

Composites

Composites -- Fatigue

Mots clés libres

Thermographie infrarouge

Contrôle non destructif

Excitation ultrasonore

Caractérisation thermique

Formulation faible

Infrared thermography

Non-destructive testing

Ultrasonic excitation

Thermal characterization

Weak formulation

Résumé

Les matériaux composites sont largement utilisés dans l'industrie en raison de leur bonne tenue mécanique et de leur faible densité. La diversité des domaines d’application des matériaux composites donne lieu à une grande variété de modes de sollicitation et d’endommagement. De ce fait, l’évaluation de leurs propriétés et le contrôle de leur état présentent un grand intérêt industriel. Dans ce travail, une nouvelle méthode d’évaluation et de contrôle non destructif dite par sonothermographie est explorée. Cette méthode est basée sur l'analyse du champ thermique induit par des ondes ultrasonores de puissance dans les matériaux absorbants tels que les composites. Deux applications complémentaires sont étudiées, d’une part l’évaluation des propriétés thermiques du matériau et d’autre part le contrôle non destructif de structures par thermographie infrarouge. Dans ce cadre, le problème direct de la sonothermographie est résolu numériquement à partir d’un modèle par éléments finis. Ce modèle permet de simuler le champ thermique induit par la propagation d’ondes ultrasonores dans un matériau absorbant dont les propriétés sont connues. Les simulations réalisées permettent de montrer l’applicabilité de la sonothermographie à la détection de défauts. Une nouvelle approche de caractérisation thermique est également développée. Cette approche basée sur la formulation faible de l’équation de conduction de la chaleur permet une estimation robuste de la diffusivité thermique du matériau à partir du champ thermique induit par les ondes ultrasonores de puissance. Des résultats expérimentaux sont présentés pour le cas de plaques minces.

The composite materials are widely used in industry because of their high mechanical resistance and low density. The diversity of composite materials application fields gives rise to a large variety of solicitation and damage conditions. For this reason, the evaluation of their properties and their health monitoring are of great industrial interest. In this work, a new method of evaluation and non-destructive testing named sonothermography is explored. This method is based on the analysis of thermal fields induced by ultrasonic waves in absorbent materials such as composites. Two additional applications are studied: the evaluation of the thermal properties of the material and the non-destructive testing of structures by infrared thermography. In this framework, the direct problem of sonothermography is solved numerically using a model based on the finite element method. This model allows to simulate the thermal field induced by the propagation of ultrasonic waves in absorbent material whose properties are known. The simulations carried out show the applicability of the sonothermography for the detection of defects. An innovative approach for thermal characterization is also developed. This approach based on the weak formulation of the heat conduction equation allows a robust estimate of the thermal diffusivity of the material from the thermal field induced by ultrasonic waves. Experimental results are presented for thin plates.