Nouvelle méthode d'évaluation de la santé d'un composite fondée sur l'interaction des modes de flexion et de torsion.

New method of composite health evaluation based on the interaction of bending and torsional modes.

• Auteur / Autrice : Olivier Ponte Felgueiras
• Direction : Jacques Renard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance le 29/06/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Yvon Chevalier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Renard, Benoit Delattre, Martine Boulais Monin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Monssef Drissi-Habti, Nathalie Godin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Comportement

Composites -- Délaminage

Mots clés libres

Critère de santé vibratoire

Délaminage

Analyse modale

Composite

Fissuration intralaminaire

Vibrothermographie

Couplage de modes

Vibratory health criterion

Delamination

Modal analysis

Composite

Intralaminar cracking

Vibrothermography

Eigenmodes coupling

Résumé

Au regard de l’intérêt porté aux matériaux composites (performance mécanique et réduction de masse), il est un domaine dans lequel leur utilisation est encore peu développée, notamment dans l’industrie du transport: les éléments de liaisons au sol (trains avant et arrière, éléments de suspension et de direction, ...). Afin de garantir la sûreté de fonctionnement de ces pièces de sécurité, il est indispensable d’être en mesure de bien les dimensionner dès la phase de conception, de valider correctement les organes prototypes et surtout, de savoir diagnostiquer, tout au long de leur durée de vie, leur état de santé. De nos jours, bon nombre de méthodes sont utilisées, mais les moyens de mesure qu’elles nécessitent sont bien souvent onéreux, avec des durées d’acquisition et de post-traitement conséquentes, et pour lesquelles il est bien souvent nécessaire d’immobiliser le moyen de transport voire d’extraire la structure de son environnement mécanique. C’est donc pour pallier ces difficultés, que nous souhaitons développer une méthode de mesure non intrusive qui permette de rendre compte des dégradations qui apparaissent, de l’échelle mésoscopique jusqu’à l’échelle de la structure (fissuration intralaminaire, délaminage, ...), sans qu’il ne soit nécessaire de démonter la structure. En nous appuyant sur le principe de l’analyse modale expérimentale (voire opérationnelle), nous cherchons à établir un lien fort entre l’évolution de certains paramètres modaux d’une éprouvette et la nature des dégradations qui apparaissent au cours d’essais de traction monotone. L'idée consiste à introduire une dégradation spécifique, en la faisant apparaître de manière naturelle, puis à suivre l’interaction de sa propagation sur le comportement modal de l’éprouvette en l’interrogeant à différents paliers de chargement, par l’intermédiaire d’un stimulus. L’excitation vibratoire est assurée par l’intermédiaire d’un actuateur piézoélectrique, la réponse du système est mesurée par un vibromètre laser 3D monopoint, et l’identification des dégradations s’effectue le long de la tranche de l’éprouvette par l’intermédiaire d’un microscope optique motorisé. Nous proposons ainsi d’élaborer un critère vibratoire qui s’appuie sur la combinaison de 2 modes spécifiques que sont la flexion et la torsion. Ce critère de santé vibratoire expérimental est ensuite confronté à son homologue numérique afin de valider sa pertinence.

Despite high interest in composite materials (mechanical performance and mass reduction), their application in the automotive transport industry is still limited: suspension, wheels, steering connection elements. In order to ensure the reliability of these safety-critical parts (regardless of the application industry), it is essential to dimension them properly in the design phase to validate the prototypes correctly and, especially, to be able to diagnose their health status throughout their lifetime. Nowadays, multiple methods are available, but measuring equipment they use is often expensive, with long acquisition and post-processing times, and often requiring immobilising the vehicle or extracting parts of its structure. It is therefore desirable to develop a non-intrusive measurement method allowing the assessment of material degradation, from a mesoscopic to a structural scale (cracking, delamination, ...), without the need to disassemble the structure. Using the principles of experimental modal analysis, we aim at establishing a clear link between the evolution of certain modal parameters and the damage observed under monotonous tensile tests. The idea consists, in introducing specific degradation, controlled by the orientation of composite plies, and then allowing it in the specimen to appear in a natural way (for instance originating from a porosity) in order to characterise the modal basis for several stages of loading and degradations. In order to do this, the vibratory excitation is applied via a piezoelectric actuator, the response of the system is measured by a 3D vibrometer laser and the damage identification is carried out along a section of the specimenusing a motorised optical microscope. We propose a vibration criterion, using a combination of bending and torsion modes. This experimental vibration health criterion is then compared to its digital counterpart in order to validate its relevance.