Modélisation de la génération d'ultrasons par laser : application à l'inspection de composants aéronautiques métalliques et composites

Modeling of laser ultrasonic transduction : application to the NDE of composite and metallic aircraft component

• Auteur / Autrice : Eleftherios Anagnostopoulos
• Direction : Bertrand Audoin, Damien Segur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 25/03/2016
• Etablissement(s) : Bordeaux
• 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
• Jury : Président / Présidente : Claire Prada
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Audoin, Damien Segur, Claire Prada, Emmanuel Le Clézio, Frédéric Jenot, Samuel Raetz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Le Clézio, Frédéric Jenot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Revêtements

Inspection

Avions -- Matériaux

Composites

Contrôle non destructif

Modèles mathématiques

Ultrasons lasers

Mots clés libres

Ultrasons-laser

Diagramme de directivité

Revêtement

Bicouche

Laser ultrasonics

Directivity pattern

Coating

Bilayer

Résumé

Le Contrôle Non Destructif par ultrasons-laser est une technique attractive pour l'industrie aéronautique de par son caractère entièrement sans contact et permet l'inspection rapide etefficace de composants mécaniques complexes. L'objectif de ces travaux de thèse concerne lamodélisation de la génération d'ultrasons par laser dans les composants aéronautiques, métalliques etcomposites, de géométrie bicouche. Nous cherchons en effet à étudier l’influence sur le mécanisme degénération ultrasonore d’un revêtement tel qu’une couche superficielle de peinture ou de résine. Dansun premier chapitre, nous proposons une modélisation semi-analytique unidimensionnelle de lagénération et propagation d’ultrasons par laser dans une géométrie bicouche au travers de deuxapproches. L’apport en termes de coût numérique d’une des deux méthodes nous conduit à montrerleur équivalence en traitant rigoureusement le problème des conditions aux limites. Dans les troisderniers chapitres, des modèles de directivité des ondes ultrasonores générées par laser sont proposésdans des géométries de complexité croissante, d’un matériau homogène jusqu’au cas d’un bicoucheen passant par le cas intermédiaire de deux demi-espaces aux propriétés optiques variées. L’influencede l’épaisseur d’une couche superficielle de résine à la surface d’un matériau composite est trèsnettement mise en évidence et expliquée à l’aide des différents outils développés. Nous discutonségalement de l’intérêt du calcul de ces directivités dans la prise en compte des sources élastiquesengendrées par laser dans un formalisme de type rayon utilisé par le logiciel dédié au contrôle nondestructif CIVA développé au CEA.

The laser-ultrasonic technique is an attractive Non Destructive Testing technology forthe aviation industry. Indeed, its non-contact ultrasonic generation process could allow inspectingcomplex mechanical part at high sampling rates. The purpose of this work consists in the modelling ofthe generation of ultrasonic waves by a laser pulse in metallic or composite materials in bilayer geometry.In this work, we seek to analyze in detail the influence of coatings on the ultrasonic generation processsuch as paint or resin coatings usually used in industrial parts. In a first chapter, we propose two differentapproaches of a semi-analytical modelling of the generation and propagation of ultrasonic waves in aone-dimensional assumption of a bilayer sample. As one of them handles shorter computation times,we decide to rigorously show the equivalence of these different approaches focusing on the boundaryvalue problem. In the three last chapters, different models of the directivity patterns of ultrasonic wavesgenerated by a laser pulse are given in geometries of increasing complexity, from a homogeneousmaterial to a bilayer considering the intermediate case of two half-spaces of various optical properties.As a result, we clearly show the influence of a superficial skin layer on the laser-generated ultrasoundsemitted in composite materials. We also discuss briefly on the interest of the directivity patterns to modelelastic sources generated by laser in a ray formalism used in the CIVA software dedicated to NDTsimulations and developed at CEA.