Imagerie ultrasonore de strucutres composites hétérogènes

par Ameni Aschy

Thèse de doctorat en Physique acoustique

Sous la direction de Mourad Bentahar, Nicolas Terrien et de Sébastien Robert.

Soutenue le 04-07-2018

à Le Mans , dans le cadre de Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes) , en partenariat avec Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Mans / LAUM (laboratoire) .

mots clés

• Contrôle Non-Destructif (CND)
• Imagerie ultrasonore multi-éléments
• Composite carbone/époxy
• Anisotropie
• Caractérisation ultrasonore
• Imagerie ultrasonore
• Composites
• Anisotropie
• Contrôle non destructif
• Matériaux viscoélastiques

Résumé

Ce travail de thèse a pour objectif de développer une méthodologie visant à imager les défauts dans les structures composites moyennant les ultrasons multiéléments. Plus précisément, la motivation essentielle réside dans la difficulté d’application des méthodes ultrasonores conventionnelles pour le contrôle de structures composites épaisses et hétérogènes. En effet, l’application de ces méthodes est d’autant plus difficile en présence d’anisotropie structurelle où les paramètres vitesse et atténuation changent de façon importante en fonction du trajet ultrasonore considéré. Cela pourrait même se compliquer en présence de dispersion fréquentielle des propriétés viscoélastiques du matériau composite. Les méthodes d’imagerie étudiées sont appliquées dans le cas de structures composites hétérogènes de forte épaisseur. Dans un premier temps, les paramètres vitesse et atténuation des ondes élastiques de volume se propageant dans le composite sous différentes incidences ont été déterminées.Ce travail a également permis de remonter aux caractéristiques viscoélastiques par méthode inverse.Les différents paramètres trouvés par méthodes directe et inverse sont ensuite intégrés au modèle direct de calcul de trajets ultrasonores pour corriger les effets d’anisotropie dans l’imagerie Total Focusing Method (TFM) et Plane Wave Imaging (PWI) et étudier ainsi les possibilités d’amélioration de la détection et de la caractérisation des défauts pouvant exister au sein des structures composites étudiées. Enfin, il est important de souligner que ce même travail discute de la nécessité de connaître le tenseur d’élasticité pour une prise en compte optimale de l’anisotropie. À cet effet, une comparaison avec un modèle simplifié mettant en jeu les vitesses de groupe est proposée.

mots clés

• Non-Destructive Testing (NDT)
• Phased array ultrasonic imaging
• Composite carbon / epoxy
• Anisotropy
• Ultrasonic characterization

Titre traduit

Ultrasonic Imaging of heterogeneous composite structures

Résumé

This work aims to develop a methodology to image defects in composite structures by using Phased Array ultrasonic techniques. More specifically, the essential motivation lies in the difficulty of applying conventional ultrasonic methods for the control of thick and heterogeneous composite structures. Indeed, the application of these methods is more difficult in the presence of structural anisotropy where the velocity and the attenuation parameters change significantly depending on the ultrasound considered path. This could be more complicated in the presence of the viscoelastic properties frequency dispersion of the composite material. The studied imaging methods are applied in the case of heterogeneous and thick composite structures. First, the velocity and attenuation parameters of the elastic volume waves propagating in the composite under different incidences is determined. This work also allowed to go back to the viscoelastic characteristics by inverse method. The various parameters found by direct and inverse methods are then integrated into the direct ultrasound path calculation model to correct the anisotropy effects in the Total Focusing Method (TFM) and Plane Wave Imaging (PWI) imagery and thus to study the possibilities of improvement of the detection and characterization of defects that may exist within the studied composite structures. Finally, it is important to emphasize that this same work discusses the need of the tensor of elasticity for an optimal characterization of the anisotropy. For this purpose, a comparison with a simplified model involving group velocity is proposed.