Contribution to the study of guided waves propagation and attenuation in anisotropic composite laminates made up of viscoelastic composite materials : Application to A380 mounted nacelle parts
Contribution à l'étude de la propagation et de l'atténuation des ondes guidées dans les laminés composites anisotropes constitués de matériaux composites viscoélastiques : Application à des pièces de nacelle de l'A380
Résumé
Anisotropic composite plates made up of viscoelastic composite materials are increasingly used in aeronautic industry and structural health monitoring strategies based on guided waves appear as a very promising tool to monitor their health state. In that context, this work is dedicated to the study of guided waves propagation and attenuation in such composite plates. Classical equations of guided waves propagating in a single layer elastic plate are first reviewed based on the three-dimensional (3D) elasticity theory and form the foundation of the partial wave superposition approach (PWSA). In the literature, this approach has been extended to the transfer matrix method (TMM) and global matrix method (GMM) allowing to express the wave propagation characteristics in elastic composite plates. Due to anisotropy, matrix incompatibility issues are encountered when dealing with arbitrarily orientated composite plates for TMM and GMM. An original hybrid matrix strategy (HMS) is proposed to alleviate this issue. It is furthermore demonstrated that dispersion equations built with PWSA for a single layer plate and with TMM and GMM for a multi-layered plate system possess a dichotomy property in the case of pure elastic materials. This property states that these a priori complex-valued equations collapse to pure real or imaginary valued equations, depending on the behavior of some intermediate parameters. This is extremely helpful for overcoming numerical instabilities encountered during the equation solving process. The elastic case is then extended to the viscoelastic case by introducing viscoelastic damping models (Hysteretic, Kelvin-Voigt and Biot models) in composite materials dynamical behavior. This forms the damped GMM (dGMM) proposed here to deal with composite plates made up of arbitrarily orientated anisotropic viscoelastic composite materials. Two industrial case studies, a fan cowl structure (FCS) and an inner fixed structure (IFS) both which are components of an A380 nacelle, are employed to experimentally validate the dGMM by comparing the accuracy of dGMM predictions in terms of velocities and attenuation to experimental measurements.
Les plaques composites anisotropes constituées de matériaux composites viscoélastiques sont de plus en plus utilisées dans l'industrie aéronautique et les stratégies basées sur les ondes guidées apparaissent comme un outil très prometteur pour surveiller leur état de santé. Dans ce contexte, ce travail est dédié à l'étude de la propagation et de l'atténuation des ondes guidées dans de telles plaques composites. Les équations classiques des ondes guidées se propageant dans une plaque élastique monocouche sont d'abord passées en revue sur la base de la théorie de l'élasticité tridimensionnelle (3D) et constituent le fondement de l'approche par superposition d'ondes partielles (PWSA). Dans la littérature, cette approche a été étendue à la méthode des matrices de transfert (TMM) et à la méthode des matrices globales (GMM) permettant d'exprimer les caractéristiques de propagation des ondes dans les plaques composites élastiques. En raison de l'anisotropie, des problèmes d'incompatibilité matricielle sont rencontrés lors du traitement de plaques composites arbitrairement orientées pour la TMM et la GMM. Une stratégie originale basée sur des matrices hybrides (HMS) est proposée pour pallier ce problème. Il est en outre démontré que les équations de dispersion construites avec PWSA pour une plaque monocouche et avec TMM et GMM pour un système de plaques multicouches possèdent une propriété de dichotomie dans le cas de matériaux élastiques purs. Cette propriété indique que ces équations a priori à valeurs complexes se réduisent en fait à des équations à valeurs réelles ou imaginaires pures, en fonction du comportement de certains paramètres intermédiaires. Cette propriété est extrêmement utile pour surmonter les instabilités numériques rencontrées au cours du processus de résolution des équations. Le cas élastique est ensuite étendu au cas viscoélastique en introduisant des modèles d'amortissement viscoélastiques (modèles d'hystérésis, de Kelvin-Voigt et de Biot) dans le comportement dynamique des matériaux composites. Ceci forme une méthode appélée « damped GMM » (dGMM) proposé ici pour traiter les plaques composites constituées de matériaux composites viscoélastiques anisotropes orientés arbitrairement. Deux études de cas industrielles, une structure de capot de soufflante (FCS) et une structure fixe intérieure (IFS), toutes deux composants d'une nacelle d'A380, sont utilisées pour valider expérimentalement la méthode dGMM en comparant la précision des prédictions par dGMM en termes de vitesses et d'atténuation aux mesures expérimentales.
Origine : Version validée par le jury (STAR)