Développement d’une plateforme de modélisation multi-physique et multi-échelle des techniques de CND des matériaux composites stratifiés par les techniques des courants de Foucault et de thermographie inductive

Development of multi-physics and multi-scale modeling platform for the NDT of CFRP composites using Eddy Currents and Induction Thermography techniques

• Auteur / Autrice : Abdoulaye Ba
• Direction : Gérard Berthiau, Huu Kien Bui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 05/01/2021
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Énergie Électrique de Nantes-Atlantique
• Jury : Président / Présidente : Annie Gagnoud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefano Laureti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Prémel, Olivier Chadebec

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anisotropie

Composites

Foucault, Courants de

Thermographie

Mots clés libres

...

Résumé

À différents stades du cycle de vie du matériau composite, les méthodes de Contrôles Non Destructifs (CND) permettent de caractériser son état d’intégrité. Elles jouent un rôle indispensable dans le contrôle de la qualité et dans la gestion des risques. Les principales exigences du CND sont la capacité de détecter et de discriminer les défauts de différentes natures, le dimensionnement précis des défauts, l’inspection et l’interprétation rapide et fiable, la capacité d’inspection des structures de formes complexes. En regard à ces besoins, les matériaux composites de natures très complexes (hétérogénéité, anisotropie forte et multi-couches) posent encore des problèmes pour les méthodes actuelles de CND. Les travaux présentés dans cette thèse s’inscrivent dans le cadre du projet européen NDTonAIR et portent sur le développement d’une plateforme de modélisation multi-physique et multi-échelle pour le CND des matériaux composites à fibres de carbone par les techniques des courants de Foucault et thermographie inductive. Ils visent à améliorer les codes de calcul par éléments finis en 3D de l’IREENA. Le développement de tels outils de simulation se heurte à des problématiques de modélisation difficiles liées notamment à la nature complexe des structures des composites et la nécessité d’utiliser des fréquences électromagnétiques élevées (jusqu’à quelques Mégahertz) afin d’injecter suffisamment de puissance dans ces matériaux très peu conducteurs. Dans les précédents travaux à l’IREENA, le temps de calcul des simulations est important, lié à la présence de conducteurs massifs exposés à un champ électromagnétique de fréquence élevée. C’est dans cette logique que nous proposons dans ce travail de thèse, une approche par éléments finis en 3D associés aux impédances de surface avec courant et tension imposés, dans le but de réduire les temps de simulations. Les outils numériques développés, ont été validés par une confrontation des résultats de simulations avec une solution analytique. Ils permettent aussi de concevoir un inducteur massif. L’identification de l’orientation des fibres de carbone dans un composite par la technique des courants de Foucault est également exploitée dans ces travaux.

At different stages in the life cycle of the composite material, Non-Destructive Testing (NDT) methods are used to characterize its state of integrity. They play a vital role in the quality control and risk management. The main requirements of NDT are the ability to detect and discriminate defects of different types, precise dimensioning of defects, fast and reliable inspection and interpretation, and the ability to inspect structures of complex shapes. With regard to these requirements, composite materials of a very complex nature (heterogeneity, strong anisotropy and multi-layers) still pose problems for actual NDT methods. The work presented in this thesis is part of the European project NDTonAIR and deal with the development of a multi-physic and multi-scale modelling platform for the NDT of carbon fibers composite materials using eddy currents and induction thermography techniques. They aim to improve IREENA's 3D numerical software. The development of such simulation tools comes up against difficult modelling problems linked in particular to the complex nature of composite structures and the need to use high electromagnetic frequencies (up to a few MegaHertz) in order to induce sufficient power into these very low conducting materials. In previous work at IREENA, the simulation time was important, linked to the presence of massive conductors exposed to a high frequency electromagnetic field. It is in this context that we propose in this work, a 3D finite element method associated with surface impedance boundary condition with imposed current and voltage, in order to reduce the simulation times. The implemented simulation tools have been validated by comparisons with an analytical solution. They also make possible the design of a massive coil. The identification of the orientation of carbon fibers in a composite plate using eddy current technique is also investigated in this work.