Contribution au traitement du signal pour le contrôle de santé in situ de structures composites

Les chercheurs ont longtemps imaginé le jour où les matériaux utilisés dans un avion de ligne, une pale d’éolienne ou dans un pont pouvaient dire s’ils ont atteint la limite de leur résistance mécanique, indiquant ainsi la fin de leur durée de vie en service, et de signaler ces informations en temps réel avant que la sécurité de la structure ne soit compromise. Pendant de nombreuses années un tel scénario était plus l’étoffe de la science-fiction que de la réalité. Mais aujourd’hui, les systèmes de contrôle de santé structural ou Structural Health Monitoring (SHM), capables d’effectuer la plupart de ces tâches, sont plus proches de la réalité. En effet, les méthodes de Contrôle Non Destructif (CND) conventionnelles peuvent être longues et coûteuses et sont, très souvent, limitées lorsqu’il s’agit de la détection et de la caractérisation des endommagements susceptibles de compromettre l’intégrité et la fiabilité des structures complexes. Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés pour la réalisation de pièces de structure dans de nombreux domaines de haute technologie comme l’aéronautique, l’aérospatiale, l’industrie nucléaire par exemple. Les raisons d’un tel succès sont à attribuer à leurs caractéristiques mécaniques spécifiques (légèreté, rigidité,. . .). Cependant, en raison des exigences croissantes en matière de fiabilité et de rendement des moyens de productions, les matériaux composites nécessitent des conceptions de plus en plus innovantes et présentent des géométries de plus en plus complexes qui peuvent les rendre difficiles à inspecter. Le concept de base des approches SHM consiste à inspecter une structure à l’aide de capteurs fixés ou intégrés (matériaux sensibles ou intelligents), au sein du matériau. Dans ce contexte, la possibilité d’évaluer en permanence l’état de santé des structures complexes permet de proposer deux principales stratégies de surveillance : le contrôle actif d’une part et le contrôle passif d’autre part. Les problèmes liés au contrôle de santé des matériaux composites demandent, quant à eux, une meilleure connaissance des processus d’endommagement. Ceux-ci surviennent lorsque ces matériaux sont soumis à des sollicitations mécaniques ou sous l’effet d’une variation des conditions environnementales et opérationnelles. Dans ces conditions, leurs propriétés mécaniques se dégradent au cours du temps, conduisant éventuellement à la rupture. L’objectif principal de ce travail de thèse est de proposer de nouveaux outils de traitement et d’analyse des signaux, dans un premier temps pour l’estimation des effets environnementaux sur la propagation des ondes acoustiques dans un milieu fortement désordonné et, dans un second temps, pour l’identification de descripteurs relatifs à la signature des mécanismes d’endommagement ainsi que de la quantification de la cinétique des sources précurseurs de la rupture des matériaux composites.

Introduction au contrôle de santé structural

Toutes les structures qui nous entourent et sur lesquelles notre progrès repose, subissent des détériorations de leurs propriétés mécaniques conduisant à leur rupture si elles sont sollicitées de façon régulière en service ou même au repos. En effet, une fissure de quelques micromètres dans un matériau peut être la cause de sa rupture complète. Aussi, la détection de fissures mobilise-t-elle de plus en plus de chercheurs en raison des exigences croissantes en matière de fiabilité des machines, des ouvrages et des moyens de transport, d’où la nécessité de suivre leur comportement dans les conditions normales d’utilisation. Dans ce but, plusieurs stratégies de contrôle de santé ont été proposées afin de prévoir la défaillance de structures de plus en plus innovantes et complexes. Les matériaux composites de type fibre-matrice reflètent bien un exemple de telles structures et leur utilisation et leurs applications ne cessent de s’accroître. Par conséquent, les stratégies d’analyse et de traitement du signal, doivent faire face à une information de plus en plus difficile à extraire.

Contrôle de santé structural

Motivations pour le contrôle de santé structural 

Le développement de techniques de suivi de l’endommagement dans des structures en service présente un intérêt indéniable pour des domaines très diversifiés. Le Contrôle Non Destructif (CND) doit son essor à des raisons économiques et humaines liées à des exigences industrielles. Parmi celles-ci, l’amélioration de la qualité et la réduction des coûts (lors de la fabrication d’un produit) ainsi que l’augmentation de la fiabilité (lors de la mise en œuvre en service) constituent des outils de pression qui placent le CND comme une nécessité dans tous les secteurs [17]. La manière dont les structures sont surveillées aujourd’hui n’a pas trop changé par rapport aux décennies passées. Le contrôle d’une structure est répété à des intervalles de temps réguliers. En conséquence, une quantité d’informations très importante est produite. Dans la plupart des cas, le résultat de l’analyse de ces informations est l’absence d’endommagements. De ce fait, l’effort principal fourni en cherchant ces endommagements est lié au démantèlement et au remontage de la structure pour accéder au composant à surveiller. Dans beaucoup de cas, le composant surveillé est remplacé sans le signe de présence des endommagements, mais seulement suite à la fin d’une durée de vie en service prédéfinie par le constructeur. D’une manière générale, seule une anomalie dans le comportement global de la structure est le signe pour engager des inspections plus poussées [18].

Deux questions sont alors posées. La première vise la rentabilité de dépenser autant d’efforts humains et matériels pour obtenir si peu d’information. La seconde cherche à proposer des moyens plus efficaces afin d’extraire cette information. La réponse à toutes ces questions est donnée par la suite en conjonction avec ce qui est connu comme le contrôle de santé structural.

Principe du contrôle de santé structural

Les systèmes de contrôle d’état structural, ou SHM pour Structural Health Monitoring, découlent d’une notion de compétitivité avec les stratégies adaptées dans les techniques conventionnelles du contrôle non destructif [18, 19]. Cette rupture avec les méthodes CND est liée au fait que la détection d’endommagement a été longtemps effectuée par l’application des capteurs à la surface de la structure, la mesure d’une certaine variable et la récupération des capteurs. Cette stratégie d’inspection est alors répétée autant de fois qu’une surveillance est nécessaire [20]. Le suivi continu de l’état structural par les systèmes SHM à l’aide de capteurs installés de façon permanente sur la surface de la structure ou intégrés au sein de cette dernière (structure intelligente), permet d’acquérir des signaux reproductibles. Cette reproductibilité permet de minimiser les effets des changements, introduits par divers éléments comme la température, les hétérogénéités du milieu ou les chocs sur la signature temporelle ou fréquentielle des signaux d’inspection acquis durant la surveillance d’une structure in situ [21]. Le principe des systèmes SHM repose sur la mesure et l’analyse de la réponse structurelle d’une structure. Un système SHM est généralement constitué de trois étapes : la détection, la localisation et l’évaluation efficace des dégâts dus à des séquences de charges externes, ainsi qu’à la détérioration progressive de la structure liée à son environnement [18]. En analysant les données de réponse de la structure, les techniques de contrôle de santé sont utilisées pour le suivi de l’état structurel, comme l’existence des endommagements. Une fois l’endommagement détecté, généralement trois étapes interviennent alors : l’identification, la quantification et la prise de décision [22]. Cette stratégie de contrôle a été adaptée pour diverses applications.

Les matériaux composites connaissent depuis quelques années un essor considérable dans plusieurs domaines et pour une multitudes d’applications (aéronautique, automobile, transport naval). Le principal avantage des matériaux composites est de présenter des propriétés mécaniques spécifiques. En outre, ces matériaux présentent également de bonnes propriétés vis-à-vis de la fatigue, de la corrosion et des attaques chimiques. Par contre, l’utilisation de ces matériaux est encore récente. Cela se traduit par une certaine méconnaissance de leur comportement, de leur sensibilité vis-à-vis des impacts et de la présence des endommagements pouvant conduire à une dégradation de leurs propriétés mécaniques. Ainsi, ces matériaux ont besoin d’être étudiés afin de maîtriser leur comportement et de mieux tirer bénéfice de leurs avantages.

Table des matières

1 Introduction générale
2 Introduction au contrôle de santé structural
2.1 Introduction
2.2 Contrôle de santé structural
2.2.1 Motivations pour le contrôle de santé structural
2.2.2 Principe du contrôle de santé structural
2.3 Contrôle de santé des matériaux composites
2.3.1 Généralités sur les matériaux composites
2.3.2 Endommagement des matériaux composites
2.4 Contrôle de santé actif par ondes guidées
2.4.1 Principe du contrôle de santé par ondes guidées
2.4.2 Outils de traitement du signal pour le contrôle de santé des matériaux composites
2.4.3 Synthèse
2.5 Contrôle de santé actif par ondes multidiffusées
2.5.1 Principe du contrôle de santé par ondes diffusées
2.5.2 Outils de traitement du signal pour le contrôle de santé des matériaux composites
2.5.3 Synthèse
2.6 Contrôle de santé passif : Émission acoustique
2.6.1 Principe du contrôle de santé par émission acoustique
2.6.2 Outils de traitement du signal pour le contrôle de santé des matériaux composites
2.6.3 Analyse mono-paramétrique conventionnelle
2.6.4 Analyse statistique multivariable
2.6.5 Synthèse
2.7 Contexte et originalité du travail
2.8 Conclusion
3 Méthodes d’estimation des coefficients de dilatation pour le SHM actif
3.1 Introduction
3.2 Influence de la température sur la propagation des ondes acoustiques dans un milieu complexe
3.2.1 Position du problème
3.2.2 Dépendance des paramètres du milieu de propagation à la température
3.2.3 Effet d’un changement de température sur la réponse impulsionnelle du milieu de propagation
3.3 Diffusion multiple dans les matériaux hétérogènes
3.3.1 Propagation des ondes acoustiques dans un milieu complexe
3.3.2 Principe de l’interférométrie des onde de coda
3.3.3 Modèle de signaux multidiffusés
3.4 Méthodes d’estimation des coefficients de dilatation
3.4.1 Introduction
3.4.2 Intercorrélation à fenêtre glissante
3.4.3 Stretching
3.4.4 Estimateur à variance minimale
3.4.5 Transformée exponentielle
3.5 Performances des méthodes d’estimation des coefficients de dilatation
3.5.1 Introduction
3.5.2 Protocole d’estimation statistique de la performance des estimateurs
3.5.3 Biais et variances des estimateurs en fonction du rapport signal sur bruit et en fonction du coefficient de dilatation
3.5.4 Coûts calculatoires des estimateurs
3.5.5 Conclusions
3.6 Validation expérimentale des performances des estimateurs
3.6.1 Introduction
3.6.2 Description du dispositif expérimental
3.6.3 Formulation du problème de la dépendance des ondes multidiffusées à la température
3.6.4 Estimation des coefficients de dilatation dans une plaque en aluminium
3.6.5 Application à l’estimation des coefficients de dilatation dans une plaque en composite de type fibre/matrice
3.6.6 Validation expérimentale : Conclusions
3.7 Conclusions
4 Conclusion générale

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