Tomographie active répartie par ondes de Lamb pour la quantification de taille de dommage dans les structures composites : : méthodes basées sur les données et par identification de paramètres

Lamb waves based active sparse tomography for damage size quantification in composite structures : data-driven and parameter inversion methods

• Auteur / Autrice : William Briand
• Direction : Nazih Mechbal, Marc Rébillat, Mikhail Guskov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique (AM)
• Date : Soutenance le 23/03/2022
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris) - Procédés et Ingeniérie en Mécanique et Matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : Wieslaw Ostachowicz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nazih Mechbal, Marc Rébillat, Mikhail Guskov, Patrice Masson, Emmanuel Moulin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrice Masson, Emmanuel Moulin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piézoélectricité

Thèses et écrits académiques

Composites

Mots clés libres

Controle de santé des structures

Matériau composite

Ondes de Lamb

Identification de paramètres

Apprentissage supervisé

Transducteur piézoélectrique

Structural Health Monitoring

Composite material

Lamb wave

Parameter identification

Supervised machine learning

Piezoelectric transducer

Résumé

Cette thèse concerne le contrôle de santé des structures composites aéronautiques (en anglais « Structural Health Monitoring » ou SHM) par ondes guidées générées par des transducteurs piézoélectriques. L’objectif général est de proposer et de valider expérimentalement des méthodes permettant de quantifier la taille d’un dommage de type délaminage présent dans la structure à surveiller. La première contribution de cette thèse est la création et la publication d’une base de données libre d’accès et de réutilisation de mesures SHM issues d’essais de fatigue de structures en composite représentatives de composants aéronautiques. La seconde contribution est le développement et la validation sur des dommage de taille inconnue d’une approche de quantification basée purement sur les données qui consiste à entrainer un modèle mathématique à partir de données labélisées et d’un descripteur original calculé à partir d’images de localisation. La troisième contribution est le développement et la validation d’une méthode de quantification qui repose sur l’estimation de paramètres liés au dommage à partir d’un modèle physique et qui ne nécessite pas de données de référence. Pour résoudre ce problème inverse, un modèle analytique est développé pour prédire le signal mesuré par un capteur piézoélectrique au passage d’une onde générée par un actionneur piézoélectrique et diffractée par un dommage. Ce modèle théorique est ensuite utilisé pour remonter à la taille et à la sévérité du défaut. Ces deux méthodes de quantification, basées l’une sur les donnée et l’autre sur un modèle physique, ont été validées sur des signaux issus de simulations numériques et sur des signaux expérimentaux sur des structures comportant des dommages réalistes.

This thesis concerns the structural health monitoring of aeronautical composite structures (SHM) using guided waves generated by piezoelectric transducers. The general objective is to propose and validate experimentally several methods to quantify the size of a delamination type damage present in the structure to be monitored. The first contribution of this thesis is the creation and publication of an open access and reusable database of SHM measurements from fatigue tests of composite structures representative of aeronautics components. The second contribution is the development and validation on damage of unknown size of a purely data-driven quantification approach that consists in training a mathematical model from labeled data and an original mathematical descriptor computed from localization images. The third contribution is the development and validation of a quantification method that relies on the estimation of damage-related parameters from a physical model and does not require reference data. To solve this inverse problem, an analytical model is developed to predict the signal measured by a piezoelectric sensor at the passage of a wave generated by a piezoelectric actuator and scattered by a damage. This model is limited to quasi-isotropic composite material and has been validated by comparison to finite elements method simulations. Based on this theoretical model, an identification tool is proposed to estimate the damage size and severity. These two quantification methods, one based on data and the other on a physical model, have been validated on signals from numerical simulations and on experimental signals from structures with realistic damages.