Evaluation ultrasonore des réparations de structures métalliques par collage de patchs composites

Bénédicte Le Crom

Description

Sous la direction de Michel Castaings
Thèse soutenue le 10 mai 2010: Bordeaux 1
Cette thèse s’est déroulée dans le contexte de l’évaluation non destructive du collage de patches composites employés pour la réparation de structures aéronautiques. Le besoin a été exprimé par la DGA Techniques Aéronautiques (Toulouse). Le travail effectué a consisté en l’exploitation des ondes guidées, de type SH puis Lamb, pour mesurer des caractéristiques mécaniques d'un joint de colle et tenter d’évaluer, de manière non destructive, la qualité du collage. Dans un premier temps, les propriétés viscoélastiques des matériaux assemblés sont déterminées. Elles servent alors de données d’entrée à des modèles, basés sur la méthode SAFE (Semi Analytical Finite Element method), permettant d’obtenir les courbes de dispersion ainsi que les champs des différents modes guidés se propageant le long de l’assemblage collé. Ces simulations numériques permettent alors d’évaluer le potentiel des ondes guidées à caractériser un adhésif. Des mesures expérimentales sont ensuite menées pour confirmer les prédictions numériques. Finalement la résolution d’un problème inverse, qui consiste à évaluer les modules de rigidité de la couche de colle se situant entre une plaque d’aluminium et un patch, est proposée pour établir des pistes d’évaluation non destructive d’un collage répondant au besoin industriel. Cette étude a été financée par la DGA, France.
-Ondes ultrasonores
-CND
-Collage
-Patch composite
Repairing of metallic structures using composite patches bonded with an adhesive layer is more and more common in the aeronautic field, and particularly at DGA Techniques Aéronautiques. In order to guarantee the quality of this bond, the sensitivity of ultrasonic guided waves is investigated. Shear-horizontally polarized (SH) waves, and Lamb waves are investigated to infer the stiffness of the adhesive layer. The SAFE method is used to predict the dispersion curves and mode shapes of the different wave modes propagating along the three-layer assembly. Numerical simulations are run for selecting the most appropriate wave modes, i.e. with higher sensitivity to the stiffness of the bond than to other components properties. Experiments are also made for generating-detecting pre-selected SH or Lamb wave modes in order to confirm the numerical predictions. Finally the resolution of an inverse problem, consisting in the evaluation of the stiffness modulus of the bond layer between an aluminium plate and a carbon-epoxy composite patch, at different curing time, is proposed as a contribution to the establishment of possible strategies for bonds testing. This work was supported by DGA, France.
-Ultrasonic waves
-NDT
-Adhesive layer
-Composite patch repair
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14024/document

Sujets

• Ultrason
• CND
• Collage

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 137
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

N d’ordre : 4024
`THESE
pr´esent´ee a`
´L’UNIVERSITE BORDEAUX 1
´ ´ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGENIEUR
par B´en´edicte LE CROM
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
´ ´SPECIALITE : M´ecanique
———
Evaluation ultrasonore des r´eparations de structures
m´etalliques par collage de patchs composites.
———
Date de soutenance : 10 mai 2010
Apr`es avis de :
M. J.L. IZBICKI, professeur, universit´e du Havre, Rapporteurs
M. G. CORNELOUP, professeur, universit´e de la M´editerran´ee,
Devant la commission d’examen form´ee de :
M. M.E.R. SHANAHAN, professeur, universit´e de Bordeaux, Pr´esident
M. J.L. IZBICKI, professeur, universit´e du Havre, Rapporteurs
M. G. CORNELOUP, professeur, universit´e de la M´editerran´ee,
M. G. RAIMONDI, ing´enieur, DGA Techniques A´eronautiques, Examinateurs
M. M. CASTAINGS, professeur, universit´e de Bordeaux
- 2010 -Remerciements
Je souhaite commencer par remercier Marc Deschamps, Directeur de Laboratoire de M´ecanique
Physique ainsi que tout le personnel pour m’avoir accueillie dans ce laboratoire.
Ce travail a ´et´e r´ealis´e au sein de l’´equipe Ultrasons Mat´eriaux, coordonn´ee par Bernard Hosten
puis Michel Castaings.
Je tiens a` remercier messieurs Jean-Louis Izbicki, Professeur de l’Universit´e du Havre, et Gilles
Corneloup, Professeur de l’Universit´e de la Mediterrann´ee, qui m’ont fait l’honneur d’examiner
ce m´emoire.
Mes remerciements vont ´egalement a` Martin Shanahan, Professeur de l’Universit´e Bordeaux 1,
et Gilles Raimondi, Ing´enieur a` la DGA Techniques A´eronautiques, pour avoir accept´e de par-
ticiper au jury de th`ese ainsi que pour avoir suivi et port´e de l’int´erˆet aux diff´erentes avanc´ees
de mon travail.
Je souhaite rendre hommage a` Bernard Hosten pour l’int´erˆet et le temps qu’il m’a consacr´es.
Merci a` Michel Castaings, mon directeur de th`ese, pour avoir suivi et encadr´e mon travail ainsi
que pour m’avoir aiguill´ee dans mes choix professionnels.
Et puis merci aux doctorants du bureau, Hughes, Damien et Mathieu en particulier pour les
pauses caf´e, parfois salvatrices, sans oublier Christine pour m’avoir sauv´ee lorsque les manips
faisaient de la r´esistance, merci a` B´ea et Sandrine pour avoir toujours ´et´e la`, merci `a Cathy
pour sa gentillesse, merci `a Isa pour les discussions (huiles essentielles, cosm´etiques maison et
tout et tout ...) et tous les bons conseils pendant la pause d´ejeuner.
Enfin un gros merci a` mes amis et ma famille et tout particuli`erement `a mon mari Guillaume
et `a ma fille L´ena, tout simplement pour avoir´et´e inconditionnellement la` et m’avoir support´ee.
iA Guillaume et L´ena.
iiTable des mati`eres
Introduction 1
1 La structure test´ee et la caract´erisation des mat´eriaux 7
1.1 Rappels th´eoriques sur la matrice des rigidit´es C. . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 Les m´ethodes de caract´erisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.1 La caract´erisation par fonctions de transfert . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.2 La caract´erisation par temps de vol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.3 Les mesures au contact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3 R´esultats des mesures. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.1 Pr´esentation des ´echantillons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.2 Caract´erisation des mat´eriaux pris isol´ement . . . . . . . . . . . . . . . . 16
L’aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Le plexiglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Le carbone ´epoxy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.3 Caract´erisation d’un mat´eriau entre deux substrats . . . . . . . . . . . . 28
2 Etude des ondes guid´ees de type SH 35
2.1 Rappels sur les ondes SH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2 Etude de sensibilit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.1 La m´ethode SAFE 1D a` une variable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Impl´ementation COMSOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
G´eom´etrie et maillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.2 Courbes de dispersion des ondes SH guid´ees par l’assemblage coll´e . . . 42
Sensibilit´e aux masses volumiques et aux ´epaisseurs . . . . . . . . . . . . 44
Sensibilit´e aux modules de cisaillement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3 Etudes num´erique et exp´erimentale des modes SH et SH . . . . . . . . . . . . 500 1
2.3.1 G´en´eration/d´etection des ondes SH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.2 Mesures des vitesses de phase des modes SH et SH . . . . . . . . . . . 520 1
Validation du dispositif exp´erimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Evaluation du module de Coulomb d’un joint de colle . . . . . . . . . . . 54
3 Etude des ondes guid´ees de type Lamb 61
3.1 Rappel sur les ondes de Lamb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2 Etude de sensibilit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.1 La m´ethode SAFE 1D a` deux variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
iiiImpl´ementation COMSOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Classement des modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.2 Courbes de dispersion des ondes de Lamb guid´ees par l’assemblage coll´e . 69
Sensibilit´e aux densit´es et aux ´epaisseurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Sensibilit´e aux propri´et´es (visco)´elastiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3 Transmission d’une onde de Lamb par une zone r´epar´ee avec patch coll´e . . . . . 80
3.3.1 Mod`ele ´el´ements finis de propagation des ondes guid´ees . . . . . . . . . . 81
Pr´esentation du mod`ele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Post traitement par relation d’orthogonalit´e . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Impl´ementation COMSOL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.3.2 Simulations num´eriques de la transmission d’un mode guid´e . . . . . . . 87
Importance de la visco´elasticit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Pr´edictions num´eriques pour plusieurs ´epaisseurs de colle . . . . . . . . . 89
Influence de la g´eom´etrie du joint de colle . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.3.3 G´en´eration et d´etection exp´erimentales d’un mode guid´e . . . . . . . . . 94
3.3.4 Coefficients de transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Cas du mode A incident pour l’assemblage avec patch en plexiglas . . . 950
Cas du mode A incident pour l’assemblage avec patch en composite . . . 980
Cas du mode S incident pour l’assemblage avec patch en plexiglas . . . . 1000
3.4 Confrontation des mesures ultrasonores a` des essais de traction uni axiale . . . . 101
3.4.1 Cas d’un assemblage aluminium/colle/plexiglas . . . . . . . . . . . . . 102
3.4.2 Cas d’un assemblage aluminium/colle/composite . . . . . . . . . . . . . 104
Conclusions et perspectives 109
Annexes 115
A Champs de d´eplacements et contraintes du mode SH d’un assemblage coll´e1150
B Compl´ements `a l’´etude de sensibilit´e des ondes SH 119
C Impl´ementation sous COMSOL de la m´ethode SAFE 1D `a trois variables 121
D Zoom de la figure 3.8(e) 127
E Sensibilit´e des ondes de Lamb `a un assemblage aluminium/colle/composite129
F Sensibilit´e des ondes de Lamb `a un assemblage aluminium/colle/plexiglas133
Bibliographie 136
iv°
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Table des figures
1.1 Photographied’uner´eparationparcollagedepatchcompositesuruneailed’avion.
Vue globale (a) et d´etaill´ee (b) de la r´eparation. Photographies CEAT. . . . . . . . 7
1.2 (a) Sch´ema de la g´eom´etrie retenue pour l’´etude des propri´et´es d’un assemblage
coll´e et (b) rep`ere utilis´e pour caract´eriser chacun des mat´eriaux pris isol´ement. 8
1.3 Dispositif exp´erimental utilis´e lors des caract´erisations de mat´eriaux par les m´e-
thodes ultrasonores a` immersion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11<