Caractérisation des propriétés mécaniques de matériaux composites par ondes ultrasonores guidées sans contact et avec accès unilatéral

Characterization of the mechanical properties of composite materials using non-contact ultrasonic guided waves with unilateral access

• Auteur / Autrice : Clément Despres
• Direction : Michel Castaings, Nicolas Quaegebeur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 10/12/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Université de Sherbrooke (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Odile Abraham
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Micheau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Le Clézio, Pierre R. Bélanger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mesure sans contact

Guides d'ondes

Composites

Élasticité

Contrôle non destructif

Ultrasons

Mots clés libres

Ultrasons

Évaluation non destructive

Modules d'élasticité

Matériaux composites

Ondes guidées

Mesures sans contact

Épaisseur

Ultrasound

Non destructive evaluation

Elastic moduli

Composite materials

Guided waves

Non-Contact measurements

Thickness

Résumé

Ce projet de thèse est motivé par la forte demande industrielle d’un procédé non destructif, sans contact, avec un accès unilatéral aux échantillons caractérisés et relativement simple de mise en œuvre, permettant de quantifier les caractéristiques mécaniques de matériaux, notamment composites (matériaux fibreux, assemblages collés) et, si possible, leur épaisseur. Le travail mené a conduit à la conception et l'élaboration d’une paire de transducteurs ultrasonores à couplage air, dédiés à la génération et la détection simultanées d'ondes guidées le long de plaques composites. La dépendance du nombre d'onde des modes guidés aux modules d’élasticité du matériau constituant en tout ou en partie le guide, ainsi qu’à l'épaisseur de celui-ci, est tout d’abord étudiée à l'aide d'un modèle permettant de prédire la sensibilité des nombres d'onde des modes de Lamb aux caractéristiques du matériau. Cela a permis de définir les modes cibles les plus porteurs d’information sur les propriétés recherchées i.e. rigidité et/ou épaisseur, la masse volumique étant systématiquement supposée connue dans l'approche choisie. Cette connaissance, associée à une campagne de simulations numériques qui imitent le procédé expérimental, a servi de base pour concevoir les transducteurs ultrasonores les plus adaptés pour la génération et la détection des modes en question. Plus précisément, la forme, la dimension et l'ouverture angulaire optimales des transducteurs ont été ainsi définies. Les transducteurs ont alors été fabriqués et caractérisés (mesure de leur bande passante en fréquence et de leur spectre angulaire). Leur première utilisation a été faite pour générer et détecter simultanément cinq modes de Lamb le long d’une plaque en plexiglas (isotrope et de propriétés connues). Les signaux ultrasonores mesurés ont été traités pour extraire les nombres d'onde des modes propagés, dans une plage de fréquence de quelques centaines de kHz. Ces données expérimentales ont ensuite été utilisées pour résoudre un problème inverse visant à déterminer les modules d’élasticité et l'épaisseur de la plaque. Plusieurs algorithmes d'optimisation ont été testés et le plus performant (rapide et robuste vis-à-vis des valeurs initiales choisies) a été sélectionné. Les modules de rigidité et l’épaisseur de la plaque en Plexiglas ont été retrouvés avec succès. Ensuite, le procédé a été testé avec deux assemblages composites : un matériau constitué de couches faites de fibres de carbone et matrice époxy, puis un assemblage aluminium-colle-aluminium. Dans le premier cas, six modules d’élasticité ont été évalués à partir des mesures de trois ou quatre modes guidés propagés dans deux directions de propagation. Pour le second assemblage, le module d’Young et le coefficient de Poisson de la colle ainsi que l'épaisseur du joint collé ont été estimés, en supposant connues les caractéristiques des deux substrats en aluminium. L’ensemble des valeurs optimisées a été validé par des mesures faites avec des procédés existants et éprouvés, mais opérant en immersion et en transmission.

This thesis project is motivated by a strong industrial demand for a non-destructive, contact-less process, with single-sided access to samples and relatively easy to implement, to quantify elastic moduli and thickness of materials, particularly of composites (fibrous materials, bonded assemblies). The work carried out led to the design and development of a pair of air-coupled ultrasonic transducers, dedicated to the simultaneous generation and detection of guided waves along composite plates. The dependence of the wavenumber of guided modes on the elastic moduli of the material constituting all or part of the guide, as well as on its thickness, was first studied using a model that predicts the sensitivity of Lamb wave mode wavenumbers to the material's properties. This allowed for the identification of the target modes that carry the most information about the desired properties, i.e., stiffness and/or thickness, with the density being systematically assumed to be known in the chosen approach. This knowledge, combined with a series of numerical simulations mimicking the experimental process, served as a basis for designing the most suitable ultrasonic transducers for the generation and detection of the relevant modes. More specifically, the optimal shape, size, and angular aperture of the transducers were thus defined. The transducers were then manufactured and characterized (measuring their frequency bandwidth and angular spectrum). Their first use involved simultaneously generating and detecting five Lamb modes along a Plexiglas plate (isotropic with known properties). The measured ultrasonic signals were processed to extract the wavenumbers of the propagated modes within a frequency range of a few hundred kHz. These experimental data were then used to solve an inverse problem aimed at determining the elastic moduli and thickness of the plate. Several optimization algorithms were tested, and the most efficient one (fast and robust with respect to the initial values chosen) was selected. The stiffness moduli and thickness of the Plexiglas plate were successfully recovered. Next, the process was tested for two composite assemblies: a stratified plate made up of unidirectional carbon epoxy and an aluminum/adhesive/aluminum tri-layer assembly. In the first case, six elastic moduli were evaluated from measurements of three or four Lamb modes propagating along two directions. For the second assembly, the Young's modulus and Poisson's ratio as well as the thickness of the adhesive were estimated, assuming the characteristics of both aluminum substrates were known. All the optimized values have been validated by characterization made with existing, robust processes, but operating in immersion and requiring through-transmission.