Contrôle santé de structures sandwichs composites, caractérisation et évaluation non destructives de l’adhésion et du vieillissement : simulations par éléments finis et expérimentation par mesure d’impédance et par ultrasons multiéléments

Structural health monitoring of sandwich composite structures, characterization and non-destructive evaluation of adhesion and aging : finite element modeling and experimentation by impedance measurement and phased arrays

• Auteur / Autrice : Elhadji Barra Ndiaye
• Direction : Hugues Duflo, Pierre Maréchal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 17/09/2014
• Etablissement(s) : Le Havre
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; ....-2016)
• Jury : Président / Présidente : Joseph Moysan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Le Clézio, André Bayard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détérioration

Composites à fibres de carbone

Lamb, Ondes de

Éléments finis, Méthode des

Ultrasons

Adhésion (physique)

Structures en nid d'abeille

Contrôle non destructif

Mots clés libres

Transducteurs multiéléments

Impédance électromécanique

Evalution non destructive

Cnd

End

Résumé

Cette thèse porte sur l’évaluation et la caractérisation non destructives (END/CND) par ultrasons de matériaux composites contribuant en partie au concept de contrôle santé structural (SHM). Plus particulièrement, les phénomènes d’adhésion et de vieillissement de structures sandwichs composites à âme en nid d’abeille sont d’un intérêt déterminant pour l’aéronautique. Les propriétés liées à ces deux phénomènes ont été étudiées à l’aide de modèles théoriques, de simulations numériques et de résultats expérimentaux. Sur la base de travaux antérieurs, les ondes de Lamb ont permis de caractériser l’adhésion et le vieillissement. Des simulations complémentaires par éléments finis ont été menées avec le logiciel Comsol Multiphysics©. Des défauts d’adhésion tels que les délaminages ou décohésions ont pu être détectés et localisés au moyen de la Transformée de Fourier à Court Terme (TFCT) par fenêtre glissante, par simulation et par l’expérience. Dans la perspective de cadences d’END industrielles, les transducteurs multiéléments permettent une inspection et une caractérisation locales du collage. À titre de comparaison, la modélisation par série de Debye (DSM) a permis de résoudre localement le problème inverse sur un plan de coupe d’un composite à nid d’abeille. Le vieillissement de structures sandwichs a été étudié dans un premier temps par ondes de Lamb dans l’air et dans un second temps par mesure d’impédance électromécanique via un transducteur en contact avec les échantillons. Les résultats de modélisation et expérimentaux montrent que les fréquences et largeurs de résonances varient suivant le taux de porosités, illustrant la sensibilité de ces méthodes au vieillissement.

This thesis focuses on the ultrasonic non-destructive testing and evaluation (NDT&E) of composite materials contributing in part to the concept of structural health monitoring (SHM). Specifically, adhesion phenomena and aging of composite sandwich core honeycomb structures are of crucial interest for aeronautics. The properties related to these two phenomena were studied using theoretical models, numerical simulations and experimental results. Based on previous works, using Lamb waves allow to characterize adhesion and aging. Additional simulations were carried out with the finite element software Comsol Multiphysics©. Adhesion defects such as delamination or debonding at the interfaces have been detected and located by means of the Short Term Fourier Transform (STFT) by sliding window, both numerically and experimentally. In view of NDT industrial rates, phased array transducers allow inspection and characterization of local bonding. By comparison, the Debye series method (DSM) was conducted locally to solve the inverse problem of a cut plane of a honeycomb composite. First, sandwich structure aging was investigated using Lamb waves in the air. Second, the aging was evaluated by measuring the electromechanical impedance of a transducer in contact with the samples. These experimental results show that the resonance frequencies and widths variations depend on the degree of porosity, indicating the sensitivity of these methods to the aging.