Dissertations / Theses on the topic 'Intelligent Composite Structures'

The material presented in this thesis uses concepts of the finite element and doublet panel methods to develop a structural-aerodynamic coupled mathematical model for the analysis of a morphing wing tip composed of smart materials. Much research is currently being performed within many facets of engineering on the use of smart or intelligent materials. Examples of the beneficial characteristics of smart materials might include altering a structureâ s mechanical properties, controlling its dynamic response(s) and sensing flaws that might progressively become detrimental to the structure. This thesis describes a bio-inspired adaptive structure that will be used in morphing an aircraftâ s wing tip. The actuation system is derived from individual flexible matrix composite tube actuators embedded in a matrix medium that when pressurized, radical structural shape change is possible. A driving force behind this research, as with any morphing wing related studies, is to expand the limitations of an aircraftâ s mission, usually constrained by the wing design. Rather than deploying current methods of achieving certain flight characteristics, changing the shape of a wing greatly increases the flight envelope. This thesis gives some insight as to the structural capability and limitations using current numerical methods to model a morphing wing in a flow.
Master of Science

The application of static shape control was investigated in this thesis particularly for a composite plate configuration using piezoelectric actuators. A new electro-mechanically coupled mathematical model was developed for the analysis and is based on a third order displacement field coupled with a layerwise electric potential concept. This formulation, TODL, is then implemented into a finite element program. The mathematical model represents an improvement over existing formulations used to model intelligent structures using piezoelectric materials as actuators and sensors. The reason is TODL does not only account for the electro-mechanical coupling within the adaptive material, it also accounts for the full structural coupling in the entire structure due to the piezoelectric material being attached to the host structure. The other significant improvement of TODL is that it is applicable to structures which are relatively thick whereas existing models are based on thin beam / plate theories. Consequently, transverse shearing effects are automatically accounted for in TODL and unlike first order shear deformation theories, shear correction factors are not required. The second major section of this thesis uses the TODL formulation in static shape control. Shape control is defined here as the determination of shape control parameters, including actuation voltage and actuator orientation configuration, such that the structure that is activated using these parameters will conform as close as possible to the desired shape. Several shape control strategies and consequently algorithms were developed here. Initial investigations in shape control has revealed many interesting issues which have been used in later investigations to improve shape controllability and also led to the development of improved algorithms. For instance, the use of discrete actuator patches has led to greater shape controllability and the use of slopes and curvatures as additional control criteria have resulted in significant reduction in internal stresses. The significance of optimizing actuator orientation and its relation to piezoelectric anisotropy in improving shape controllability has also been presented. Thus the major facets of shape control has been brought together and the algorithms developed here represent a comprehensive strategy to perform static shape control.

Généralement, la déformation d'une structure est réalisée par des actionneurs externes ou intégrés à la structure. Pour le M3C la structure entière est l'actionneur. Ainsi la déformation est obtenue en combinant les propriétés d'anisotropie thermoélastique d'une structure composite à une élévation de température. Afin de concevoir et optimiser un M3C, un modèle numérique simplifié est proposé. La corrélation avec des résultats théoriques et expérimentaux montre sa fiabilité et son utilité. La mise en place d'un protocole expérimental, permet de caractériser les performances de divers types d'échantillons M3C. De plus, des essais de vieillissement montrent la fiabilité de plaques tests en M3C. Une structure M3C est une structure active. En lui associant divers capteurs et un système de contrôle, celle-ci devient « intelligente ». Emin, deux applications industrielles possibles sont proposées : un système de fixation actif et la déformation du bord de fuite d'un profil de type NACA.

Les matériaux composites de haute performance à base de fibres de carbone sont de plus en plus utilisés dans des secteurs où la sécurité est critique (aéronautique, spatial, génie civil...). Ces matériaux offrent des performances mécaniques très élevées, par rapport à leur densité (légèreté, rigidité...). Ils offrent de nombreux avantages tels que la résistance mécanique, la réduction de masse et de consommation. Par conséquent, il est important de connaître Les caractéristiques du matériau lors de son processus d'élaboration (durcissement ou cuisson) ou lors de son utilisation. Dans le but d'optimiser l'utilisation ou de contrôler l'intégrité, les efforts sont employés à l'aide de plusieurs techniques pour surveiller le cycle de cuisson ou la santé des structures composites lors du conditionnement et en service. Au-delà des méthodes existantes de mesure unique de la résistance ou de la capacité du matériau, nous présentons ici une technique d'analyse d'impédance électrique afin d'extraire certaines propriétés spécifiques du matériau (résistance, capacité, Impédance et argument) dans le but de connaître son comportement. La micro structure du matériau étant faite de conducteur (fibre de carbone) et d'isolant (résine), un modèle de la conduction électrique a été établi en utilisant un réseau de résistance (RP) et de capacité (CP) parallèles d'impédance caractéristique Z. Puis le matériau est instrumenté à cœur à l'aide d'électrodes minces et flexibles (flex). Ensuite, une analyse de spectroscopie d'impédance est réalisée sur des échantillons en cycle de cuisson et en poste cuisson lors des tests mécaniques grâce un banc de mesure spécifiquement développé. Les résultats de l'analyse renseignent sur les propriétés intrinsèques du matériau et montrent une sensibilité de ces propriétés électriques (RP et CP ou Z et θ) en fonction de l'évolution du cycle et des tests mécaniques. Il est donc possible de faire le Structural Health Monitoring (SHM) ou mieux encore le Prognostics and health management (PHM)
The high-performance composite materials based on carbon fiber are increasingly used in critical security areas (aeronautics and civil engineering) for the high mechanical performances as regards to their low density. They offer many benefits such as mechanical strength, mass and consumption reduction. Thus, it is important to know their characteristics during curing process or their use. With the aim to optimize their use or to control their integrity, efforts are employed by using several techniques to monitor their curing cycle or the health of the structures during the conditioning stage and the service stage. Beyond the existing methods of unique measurement of the resistance or the capacitance of the material, we present herein a technique of electrical impedance analysis to extract some specific material properties (resistance, capacitance, Impedance and argument) in order to know its behavior. As the microstructure of the material contains a conductor part (carbon fiber) and an insulator part (resin), a three-dimensional (3D) model of the electrical conduction in the material was established by using a network of a resistance RP connected in parallel with a capacitance CP (impedance Z) to describe the anisotropy of the material. Then, the thin flexible electrodes (flex) are inserted inside the material and the specific impedance measurement bench is developed to perform a real-time measurement of RP and CP or Z and θ. Spectroscopic impedance analysis of the studied samples informs about the intrinsic properties of material and shows a sensitivity of these electrical properties according to the curing cycle. Then the sensitivity to some physical parameters (temperature, deformations, etc.) will be demonstrated in order to provide necessary elements to know or predict the health of the material for SHM (Structural Health Monitoring) and PHM (Prognostics and health management) purpose

Ce travail de thèse propose un système de contrôle pour sécuriser et rigidifier une passerelle en composite verre et carbone. La passerelle autocontrainte se compose d'un double arc porteur, flambé élastiquement à partir de tubes rectilignes et stabilisé par deux câbles et des haubans croisés. Un tablier est posé sur des barres reliées aux câbles et haubans. Une étude Elements Finis identifie les points faibles de la passerelle. La stratégie de contrôle, basée sur des formes d'équilibre, répond à la fragilité des composites en uniformisant les forces dans les éléments de tension et à la souplesse en minimisant le déplacement vertical du tablier. Différentes géométries d'isoforce, avec forces uniformes dans les câbles et haubans, peuvent être déterminées avec la Méthode de la Densité de Force. Parmi les géométries d'isoforce, la géométrie cible d'un chargement a un déplacement minimal du tablier. On obtient une structure intelligente en adaptant interactivement la force des haubans.

Because of economic impact that results from downtime, aircraft maintenance is an important issue in the aerospace industry. In-service structures will decay over time. Compared to low-cycle loading structures, aerospace structures experience extreme loading conditions, resulting in rapid crack propagation. The research involved in this dissertation concerns development of the initial stages of structural health monitoring (SHM) system that includes a network of ultrasonic testing sensors with artificial intelligence capable of detecting damage before structure failure. A series of experiments examining the feasibility of ultrasonic sensors to detect the initial onset of damage on a composite laminate, similar in structure to that used in aerospace components, was conducted. An artificial neural network (ANN) with the best accuracy was found to be a hybrid of a self-organizing map (SOM) with a feed-forward hidden and output layer. This was used for the single actuator-to-sensor scans on a composite laminate with simulated damage. It was concluded that a decentralized network of sensors was appropriate for such a system. The small four-sensor system was proven to be capable of predicting the presence of damage within a scanning area on a composite laminate, as well as predict the location once damage was detected. The main experimentation for this dissertation involved four ultrasonic sensors operated in a pitch-catch configuration. Simulated damage, verified through experimentation, was placed at various locations in the scanning area of interest. Signals obtained from the ultrasonic sensors were analyzed by a multi-agent system in which each agent describes an ANN. The system was trained to determine damage size. A second multi-agent system was constructed to determine the location of the detected damage. The architecture was similar to the damage-sizing system. Results demonstrated that with the artificial intelligence post-processing of ultrasonic sensors, 95% confidence can be obtained for detecting and locating damage that is 0.375 in. in diameter, which was verified through a bootstrap method. This dissertation validated the initial stages of constructing such a network of ultrasonic sensors. Future research in this area could involve combining the four-sensor network into a larger network of sensors by means of multi-agent processing (i.e., developing scanning regions). The novel method presented here provides the basis for the development of the SHM system for typical aerospace structures.
Thesis (Ph.D.)--Wichita State University, College of Engineering, Dept. of Aerospace Engineering.

The use of composite structures in engineering applications has proliferated over the past few decades due to its distinct advantages namely: high structural performance, corrosion resistance, and high strength/weight ratio. However, they also come with a set of disadvantages, i.e. they are prone to fibre breakage, matrix cracking and delaminations. These types of damage are often invisible and if undetected, could lead to catastrophic failures of structures. Although there are systems to detect such damage, the criticality assessment and prognosis of the damage is often much more difficult to achieve. The research study conducted here resulted in the development of a Structural Health Monitoring (SHM) system for a 2D polymeric composite T-joint, used in maritime structures. The SHM system was found to be capable of not only detecting the presence of multiple delaminations in a composite structure, but also capable of determining the location and extent of all t he delaminations present in the T-joint structure, regardless of the load (angle and magnitude) acting on the structure. The system developed relies on the examination of the strain distribution of the structure under operational loading. This SHM system necessitated the development of a novel pre-processing algorithm - Damage Relativity Assessment Technique (DRAT) along with a pattern recognition tool, Artificial Neural Network (ANN), to predict and estimate the damage. Another program developed - the Global Neural network Algorithm for Sequential Processing of Internal sub Networks (GNAISPIN) uses multiple ANNs to render the SHM system independent to variations in structural loading and capable of estimating multiple delaminations in composite T-joint structures. Upto 82% improvement in detection accuracy was observed when GNAISPIN was invoked. The Finite Element Analysis (FEA) was also conducted by placing delaminations of different sizes at various locations in two structures, a composite beam and a T-joint. Glass Fibre Reinforced Polymer T-joints were then manufactured and tested, thereby verifying the accuracy of the FEA results experimentally. The resulting strain distribution from the FEA was pre-processed by the DRAT and used to trai n the ANN to predict and estimate damage in the structures. Finally, on testing the SHM system developed with strain signatures of composite T-joint structures, subjected to variable loading, embedded with all possible damage configurations (including multiple damage scenarios), an overall damage (location & extent) prediction accuracy of 94.1% was achieved. These results are presented and discussed in detail in this study.

Ce mémoire présente la modélisation, la simulation, l’expérimentation et la conception d’une structure composite intelligente pour des mesures de haute température (jusqu’à 300 °C). Pour ce faire, une fibre à revêtement métallique, particulièrement résistante pour de tels niveaux thermiques, a été considérée et intégrée au sein d’un revêtement d'alumine. La structure composite intelligente se compose alors du substrat, du dépôt et d’un capteur à fibre optique à modulation d’intensité. Pour mener cette étude, une estimation des flux thermiques basée sur le thermogramme expérimental s’est révélée nécessaire afin d’alimenter un modèle numérique. Différents modèles ont ensuite été construits afin d’évaluer les niveaux de températures atteints en surface ainsi que les niveaux de contraintes au sein même du composite. La simulation a montré que le dépôt pouvait thermiquement être considéré comme une couche mince et que la diffusion de la chaleur au sein du dépôt et du substrat était rapide et pouvait être estimée à l'échelle de la milliseconde. La répartition des contraintes est comme on pouvait s'y attendre dépendante du flux incident mais aussi de la géométrie globale du composite. Les contraintes restent relativement uniformes lors de l'échauffement et durant leur propagation mais s’intensifient après le refroidissement. Il s'avère également que les contraintes résultantes ne sont pas symétriques dans la fibre et sont dépendantes de la position de la fibre par rapport au substrat. Après une phase de modélisation des niveaux thermiques et des contraintes susceptibles d’être atteints au sein du matériau, une phase expérimentale consistant à intégrer une fibre optique non fonctionnalisée dans un dépôt d’alumine a donc été réalisée. Les observations microscopiques en surface et en coupe ont été effectuées afin de vérifier l’intégrité de la fibre intégrée. L’adhérence mécanique des fibres a ensuite été mesurée ainsi que l’atténuation optique pendant le processus d’intégration et le comportement thermique de l’ensemble durant des cyclages thermiques. Enfin, un capteur à fibre optique à modulation d’intensité a été conçu par intégration dans un dépôt céramique réalisé par projection thermique. Un système de mesure de la température a donc été construit et les premiers essais de réponse thermique ainsi que le cyclage thermique du capteur de température ont été effectués et analysés. En concluision, cette étude démontre la faisabilité d’une structure composite intelligente par intégration d'un capteur à modulation d’intensité à fibre optique dans un dépôt céramique élaboré par projection thermique susceptible de pouvoir travailler jusqu’à des températures de 300 °C
This paper presents the modeling, simulation, experimentation and design of a smart composite structrure for high temperature measurements (up to 300 °C). In order to achieve this goal, a high temperature resistant metal coated optical fiber was considered and integrated into alumina coating. The smart composite structure consists of a substrate, a coating and an intensity modulated optical fiber temperature sensor. Firstly, an estimation of heat flux based on a experimental thermogram was firstly carried out in order to feed a numerical modeling. Then, different modelings were built to evaluate the surface temperature levels as well as the composite stress levels. The simulation showed that the composite (substrate and coating) could be considered as a thermally thin medium, the heat propagation within the composite was fast and could be estimated at a scale of millisecond. The stresses remained relatively uniform during the heating process but intensified during the cooling process. The modeling also showed that the stresses are not symmetrical in the fiber and depend on the position of the fiber relative to the substrate. After a modeling evaluation of the thermal levels as well as the stresses that may be achieved in the composite, an experimental step integrating a optical fiber into a thermal coating was carried out. Microscopic observation of surface and cross section were conducted in order to analyze the characteristics of the integrated fiber. The mechanical strength of the integrated fiber was then measured and the optical attenuation during the integration process as well as the thermal behavior of the integrated fiber during the thermal cycling were evaluated. Finally, an intensity modulated optical fiber temperature sensor was designed and integrated into ceramic coating by thermal spraying. A temperature measuring system was designed and the first tests of the thermal response as well as thermal cycling of temperature sensor were carried out. This study demonstrates the feasibility of designing a high temperature resistant smart composite structure by integrating an intensity modulated optical fiber temperature sensor in a ceramic coating elaborated by thermal spraying

Les structures composites intégrant des transducteurs piézoélectriques au cœur de la matière sont utilisées pour leur capacité à modifier leurs propriétés mécaniques en fonction de l’environnement, à contrôler leur intégrité structurale et à interagir avec l’homme ou avec d’autres structures.Ce travail se concentre sur les phases de conception préliminaire des structures composites intelligentes. Ces phases ne représentent que 5% du coût total d’un projet, mais conditionnent 80% du coût final du produit. Les principaux problèmes rencontrés lors de ces phases de conception préliminaire portent sur la détermination des propriétés matériau des transducteurs piézoélectriques et des matériaux composites utilisés, de l'influence de l'emplacement des transducteurs dans la structure ainsi que de l’influence du processus de fabrication, de la température et des endommagements sur le comportement final des structures composites intelligentes.Dans le processus de fabrication développé à l’Université de Technologies Belfort-Montbéliard (UTBM), l’élément-clé est un produit semi-fini appelé “soft layer”. Cette couche permet d’intégrer le réseau de transducteurs piézoélectriques au cœur de la structure composite. Le processus de fabrication de la “soft layer” ainsi que celui des structures intelligentes sont abordés dans cette thèse.Afin de trouver des solutions aux problèmes décrits ci-dessus, deux méthodes de caractérisation de composites intelligents ou adaptatifs sont présentées et utilisées : la méthode dite Resonalyser et la méthode du temps de vol. Après des études expérimentales et une comparaison des résultats obtenus, la méthode du temps de vol a été choisie comme méthode principale en raison de son faible coût de mise en œuvre et du fait qu’il s’agit d’une méthode de caractérisation in-situ. De plus, une nouvelle méthode appelée méthode CMB, basée sur la méthode du temps de vol a été développée afin de pouvoir facilement et rapidement extraire les constantes élastiques, en particulier le coefficient de Poisson.Des analyses expérimentales de sensibilité appliquées aux composites adaptatifs ont été effectuées.Premièrement, l’étude de l’influence de l’emplacement des transducteurs démontre qu’il est nécessaire de tenir compte de la position de la “soft layer” dans la modélisation du comportement de produit final. La position de cette couche dans l’épaisseur du produit a une influence notable sur les fréquences propres ainsi que les amplitudes modales de la structure. Cependant, l’ajout de la “soft layer” n’accroît pas le taux d’amortissement de la structure finale; et sa position dans l’épaisseur n’a aucune influence sur ce taux d’amortissement. La propagation des ondes de Lamb à l’intérieur du composite n’est pas impactée par le “soft layer”.Deuxièmement, l’étude de l’impact du processus de la fabrication nous renseigne sur l’influence notable des divers paramètres de réglage du processus de fabrication sur le comportement final de la structure composite intelligente.Troisièmement, l’étude de l’influence de la température sur des structures constituées de différents matériaux composites montre que le module de Young du produit final décroît quand la température augmente. Mais la diminution du module de Young en fonction de la température est différente selon les et les types de matériaux et les directions des fibres, en particulier pour les structures composites unidirectionnelles. De plus, cette étude montre également la sensibilité de la méthode du temps de vol vis-à-vis de la température. Ce dernier point est par ailleurs consolidé par la comparaison avec des résultats obtenus par une méthode de caractérisation ex-situ standard : l'analyse dynamique de la mécanique (DMA).Enfin, l'étude de l'impact des dommages mécaniques fournit une assez bonne référence pour les recherches futures. De cette façon, il est clair qu’une méthode de temps de vol peut être utilisée dans la surveillance de la santé structurale
The composite structures embedding piezoelectric implants are developed due to their abilities of modifying mechanical properties according to the environment, of keeping their integrity, of interacting with human beings or with other structures.This study is focused on the preliminary design stages of smart composite structures, which represent only 5% of the total costs of a project, whereas 80% of the life cycle cost are set during the preliminary study phases. The top few problems during the preliminary design of smart composite structures are addressed in this work such as the determination of the material properties of the piezoelectric transducers and composite material used, the influence of transducers location, manufacturing process, temperature and damage on the behavior of the smart composite structures.Due to the manufacturing process developed at the Université de Technologie de Belfort-Montbéliard (UTBM), the most important element is a semi-finished product called “soft layer”. This special layer is used to embed the transducers system into the composite structures. The manufacturing process of “soft layer” as well as the smart composite structures are compiled in this report.In order to solve the problems described above, two characterization methods of composite material (Resonalyser method and Time-of-Flight method (T-o-F method)), are introduced and discussed. After experimental studies and comparing the results of these two methods, the T-o-F method is chosen as the main method for the following studies due to the fact that it is a low-cost and in-situ characterization method. Furthermore, a new method based on the T-o-F method is developed to easily and quickly extract the elastic constants, in particular the Poisson’s ratio.Experimental sensitivity analyses applied to the smart composite structures are performed with respect to the problems describes above. First of all, the study of the influence of transducers location demonstrates that the "soft layer” cannot be neglected to model the behavior of the final product. In particular, the through-the-thickness position has an influence on the eigenfrequencies and the modal amplitudes. However, the "soft layer” does not increase the overall damping ratio of the final structures and the through-the-thickness position of the "soft layer” has no influence on the damping ratios. The Lamb wave propagation inside the composite material is not impacted by the "soft layer”. Secondly, the study of the impact of manufacturing process demonstrates that the impact of variability of parameters due to the manufacturing process is very important on the final response of the structure. Thirdly, the study of the influence of temperature on different kinds of smart composite structures proves that when temperature increases, the Young’s modulus of the smart composites decreases. But the attenuation of Young’s modulus according to temperature is different along different fiber directions, especially for the unidirectional composite structures. Furthermore, in this study, the sensitivity of Time-of-Flight method with respect to temperature is well proved by comparing the results with a traditional method like Dynamic-Mechanical Analysis (DMA). Last but not least, the study of the impact of the mechanical damage gives a quite good reference for the future investigations. Along this way, it is possible to use a Time-of-Flight method in Structural Health Monitoring. In addition, some smart composite structures manufactured by the research team are given and their potential applications are discussed

Cette thèse a pour objet la modélisation de poutres composites piézoélectriques et l`application au contrôle passif des vibrations. Une première partie présente un modèle de poutre du type Euler-Bernoulli électromécanique. Le modèle est construit à partir d'un principe variationel mixte qui, sans introduire des degrés de liberté supplémentaires, tienne compte des effets 3D des champs électromécaniques et du potentiel électrique induit. Une deuxième partie propose des techniques numériques et expérimentales pour l'analyse modale et la déduction d'un modèle d'ordre réduit pour des poutres avec actionneurs piézoélectriques distribués. Enfin, des applications au contrôle passif de vibrations au moyen de circuits électriques sont étudiées. Dans de tels systèmes, l'énergie mécanique est dissipée dans des réseaux résistifs-inductifs. Chaque partie comprend des validations numériques et expérimentales. Un premier prototype d'un système pour le contrôle passif distribué est proposé.

Les recherches effectuées sont centrées sur l'intégration de composants piézoélectriques dans des matrices thermodurcissables. Cependant, le problème de recyclage constitue un grand axe nécessitant le remplacement des matériaux thermodurcissables par des matériaux thermoplastiques. Toutefois, les procédés actuels de fabrication des pièces en composite actif à matière thermoplastique ne sont pas directement exploitables pour l'intégration de composants fragiles tels que les composants piézoélectriques. Le travail présenté dans ce mémoire de thèse est dédié à une contribution à la fabrication des structures thermoplastiques intelligentes. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est de déterminer le rapport entre le procédé de fabrication et les modèles de comportement à développer pour l'utilisation des composants piézoélectriques intégrés. Deux études sont réalisées séparément : Une première étude traite les conditions thermiques et mécaniques qui accompagnent la fabrication des structures thermoplastiques. L'influence de ces conditions sur le matériau piézocéramique intégré est analysée dans une deuxième étude. Les résultats des deux études permettent de choisir le matériau approprié pour chaque procédé et condition de mise en œuvre, de manière à minimiser l'endommagement du matériau intelligent. Cet apport permet de surmonter les obstacles relatifs à l'utilisation du thermoplastique dans les structures intelligentes.

L'objet du programme de recherche est le developpement d'un materiau composite verre/resine instrumente avec un capteur integre capable de detecter les endommagements in-situ de la structure. Le capteur retenu est une meche de carbone dont on etudie l'augmentation de la resistance electrique, provoquee par l'elongation, puis les ruptures des differentes fibres de carbone. Une premiere etude de base effectuee sur eprouvettes en traction a montre que les meches de carbone peuvent etre utilisees comme capteur d'endommagement, sous reserve que leurs caracteristiques soient adaptees a la deformation critique d'endommagement de la structure a controler. L'analyse a ensuite ete etendue a d'autres modes de sollicitations mecaniques (flexion, delaminage, chargement repete progressif, fatigue dynamique). Les sollicitations dynamiques ont en particulier mis en evidence l'existence d'une resistance electrique residuelle du capteur apres suppression de la contrainte. Le capteur resistif developpe ne se comporte donc pas comme un simple capteur de deformation instantanee, mais peut memoriser, via sa resistance residuelle, les eventuels endommagements du materiau hote. Dans le cas de chargement en traction, les reponses electriques des capteurs ont pu etre modelisees par des lois statistiques de weibull ou sigmoidales, qui prennent en compte la distribution de ruptures des differentes fibres de carbone.

Ce mémoire de thèse de doctorat est structuré en deux parties. Dans la 1ère partie, une nouvelle approche traitant la caractérisation géométrique et mécanique est décrite. La modélisation géométrique de tissu 3D interlock est corrélée avec les paramètres de tissage afin de mieux prendre en compte ces paramètres. Le tissage de tissu 3D interlock est décrit en détail. Par la suite, une étude a été menée pour mieux comprendre les changements qui se produisent dans une mèche de carbone lorsque cette dernière est intégrée dans un renfort. Un coefficient de transfert des propriétés mécaniques a été proposé permettant une meilleure compréhension de l’influence des paramètres structuraux sur les propriétés d’un composite. Dans la 2eme partie du mémoire, un système de mesure in situ pour les composites a été développé. Ce système comporte un capteur souple et un module de traitement de données et d’amplification des signaux. Le capteur fibreux développé durant nos recherches a été inséré pendant le tissage comme un fil de trame. Le système a été testé sur une plaque en composite, contenant les renforts en 3D interlock, en traction. Le capteur suit fidèlement les déformations de la plaque composite jusqu’à la rupture
This thesis is divided in two parts. In the first part a geometrical modelling approach has been developed in tandem with weaving parameters. The reinforcements were woven on a modified conventional loom to study the geometry of these structures. Their weaving has been described in detail. The weaving parameters have been correlated to the modelling approach. The meso structural modelling approach is capable of predicting essential reinforcement geometrical characteristics at meso structural level without being too complicated. Furthermore, mechanical characterization of 3D interlock reinforcements has been carried out in such a way that a track of mechanical properties during the complete production cycle has been maintained. A novel parameter called strength transfer coefficient was proposed which allows better understanding of the influence of structural parameters on the final properties of the composite. In the second part of the thesis an online structural health monitoring system which is composed of a textile based sensor and signal amplification and treatment module, has been developed. This system is capable of detecting structural deformations in the composite as the sensor is integrated during the manufacturing of the reinforcement and can follow its deformation pattern when composite is subjected to tensile loading in a real time

L'objectif de cette étude est d'élaborer une membrane thermosensible permettant une perméabilité à la vapeur d'eau contrôlée pour améliorer le confort et la sécurité des sapeurs-pompiers. Plusieurs membranes à base de polyuréthane segmenté ont été synthétisées. L'influence du type de polyol utilisé et sa longueur, et de la quantité de segments rigides a été étudiée. Deux types de mécanisme apparaissent selon la structure chimique du polymère, i.e. une modification en masse et une modification de surface. Celles-ci changent les propriétés de diffusion de l'humidité à travers la membrane. Ces membranes ont ensuite été complexées sur un textile pour renforcer la tenue mécanique, en vue de la confection de la couche entre le sous-vêtement et la veste des sapeurs-pompiers. Ce procédé modifie peu les propriétés des membranes et les produits obtenus semblent présenter une perméabilité à la vapeur d'eau contrôlée en fonction de la température
This study aims at developing a thermosensitive membrane allowing the water vapor to cross with a function of the temperature to enhance the comfort and the safety of firefighters. Membranes with different chemical structure were synthesized from segmented polyurethane. The influence of the polyol type and its length, and the hard segment content was studied. Two kinds of mechanisms were identified depending on the chemical structure as a bulk modification and a surface modification, that change moisture management properties. Afterwards, membranes were pressed on a textile for higher mechanical properties. The purpose of the final product is to be made inside the firefighter’s personal protective equipment, between the underwear and the jacket. The systems membrane-textile keep the properties of the membrane and present controlled water vapor permeability with the function of the temperature

Ce travail novateur étudie l'intérêt d'intégrer des transducteurs piézoélectriques (à base céramique et/ou polymère) au sein de matériaux composites à matrice organique (CMO) pour effectuer une surveillance en temps réel et in-situ de leur processus de fabrication (Process Monitoring PM) ainsi que de leur vie en service (Structural Health Monitoring SHM). Pour ce faire, les transducteurs piézoélectriques ont été intégrés au cœur des empilements fibreux suivant une méthodologie innovante développée au sein de l’équipe de recherche « Matériaux et Surfaces » du laboratoire Roberval. Le système de fabrication par infusion de résine liquide (LRI) utilisé (campagne en PM) ainsi que les échantillons résultants testés mécaniquement (campagne en SHM) ont été multi-instrumentés à l'aide de plusieurs dispositifs de Contrôle Non Destructif (CND : Emission Acoustique (EA), Thermographie Infrarouge (TIR), Corrélation d’Images Numériques (CIN), etc.) afin d’établir des couplages multi-physiques entre les signaux des techniques CND externes et la signature interne (capacité électrique) provenant des transducteurs intégrés au cœur de la matière. En PM, la sensibilité des transducteurs piézocéramiques (PZT) aux diverses étapes clés du processus LRI (passage du front, imprégnation, arrêt de l’injection, transitions physico-chimiques de réticulation et taux de consolidation) réalisé à divers taux de durcisseur ainsi que leur aptitude à la détection de défauts de fabrication ont montré un fort potentiel digne d’une future utilisation à l’échelle industrielle. En SHM, après une vérification de la non-intrusivité des transducteurs à base céramique et polymère intégrés au cœur des échantillons de tests mécaniques, les transducteurs polymères ont permis une évaluation en temps réel de l’état triaxial de déformation et de la perte de rigidité subis par le CMO hôte durant son chargement mécanique. En revanche, malgré un seuil de non fonctionnement (NWT) lié à la fragilité de leur matériau constitutif, les transducteurs piézocéramiques ont montré une forte sensibilité à la détection et au suivi de l’endommagement en temps réel dès lors qu’ils sont positionnésintelligemment vis-à-vis de la sollicitation mécanique. Ces travaux de thèse se sont achevés sur une première tentative visant à transposer les connaissances acquises en PM et SHM des transducteurs piézoélectriques in-situ d'une échelle 2D « laboratoire » à une échelle structurelle 3D plus proche des réalités industrielles. La fabrication multi-instrumentée d’une structure CMO de type raidisseur « Omega » intégrant 14 transducteurs piézoélectriques (PZT ou copolymère P(VDF-TrFE)) et renforcée en épaisseur par un fil en carbone a permis de confirmer les aptitudes PM du PZT précédemment mises en évidence, et a montré une différence entre la manière dont les signaux de capacité électrique du PZT et des copolymères réagissent à l'ensemble du processus de fabrication
This innovative work studies the interest of integrating piezoelectric transducers (ceramic and/or polymer-based) within Polymer- Matrix Composite materials (PMC) to perform real-time and in-situ monitoring of their manufacturing process (Process Monitoring PM) as well as their lifespan (Structural Health Monitoring SHM). To do this, the piezoelectric transducers were integrated into the heart of the fibrous stacks using an innovative methodology developed within the "Materials and Surfaces" research team at the Roberval laboratory. The Liquid Resin Infusion (LRI) manufacturing system used (PM campaign), as well as the resulting samples tested mechanically (SHM campaign), were multi-instrumented using several Non-Destructive Testing devices (NDT: Acoustic Emission (AE), Infrared Thermography (IRT), Digital Image Correlation (DIC), etc.) in order to establish multi-physical couplings between the signals of external NDT techniques and the internal signature (electrical capacitance) coming from the transducers integrated into the heart of the material. In PM, the piezoceramic (PZT) transducers were found to be sensitive to the various key steps of the LRI process (flow front passing, impregnation, end of injection, chemo-physical transitions during curing and associated consolidation rates) achieved at different hardener rates, and able to detect manufacturing defects. These results showed great potential, worthy of future use on an industrial scale. In SHM, after verification of the non-intrusiveness of the ceramic and polymer-based transducers integrated into the heart of the mechanical test specimens, the polymer transducers allowed a real-time evaluation of the triaxial strain state and the rigidity loss experienced by the host PMC during its mechanical loading. However, despite a Non-Working Threshold (NWT) linked to the brittleness of their constitutive material, the piezoceramic transducers have shown a high sensitivity to the detection and monitoring of damage in real-time when they are positioned intelligently with respect to the mechanical stress. These thesis works ended with a first attempt aimed at transposing the knowledge acquired on PM and SHM of in-situ piezoelectric transducers from a 2D “laboratory” scale to a 3D structural one closer to industrial realities. The multi-instrumented manufacturing of an “Omega” stiffener PMC structure integrating 14 piezoelectric transducers (PZT and P(VDF-TrFE) copolymer) and reinforced through-the-thickness by a carbon tuft thread allowed confirming the previously evidenced PM abilities of the PZT, and showed a difference between how the electrical capacitance signals of PZT and copolymers react to the whole manufacturing process

Ce travail s’inscrit dans le cadre du projet européen Inteltex dont l’objectif est l’élaboration de nouvelles structures textiles pour la détection de solvants. L’utilisation de CPC (Composite Polymère Conducteur), composé d’une matrice polymère isolante et de charges conductrices d’électricité, permet de détecter la présence de solvant du polymère par son gonflement entraînant une déconnexion du réseau conducteur et une chute de la conductivité électrique. L’utilisation de nanotubes de carbone (NTC) en tant que charge conductrice, permet d’incorporer une faible quantité de charges pour une conductivité électrique recommandée pour la détection (10-3 S/m). Les matrices polymères, sensibles aux solvants et possédant un caractère filable, sont le polycarbonate (PC), le polylactide (PLA) et le polyéthylène téréphtalate (PET). Le seuil de percolation des NTC dans les monofilaments issus de l’extrusion de 1,5 mm de diamètre est déterminé entre 1,5 et 2 % en masse. La transformation de ces composites en fil multifilamentaire par filage en voie fondue montre une chute de la conductivité des filaments avec l’étirage. Un filament de PLA contenant au moins 4 % de NTC et de diamètre minimal de 80 µm permet de conserver les propriétés électriques. Le filage de cette fibre nécessite l’introduction d’un plastifiant afin d’améliorer la filabilité du mélange. Les propriétés électriques, thermiques, mécaniques, morphologiques et la fluidité des filaments sont étudiées en fonction du procédé de transformation et de leur composition. Des filaments proches du seuil de percolation et incorporés dans une structure tissée, montrent une sensibilité à l’humidité, à l’éthanol et au toluène
This work is performed through the European project Inteltex. The aim is to develop new textile structures for the solvent detection. The use of CPC (Conductive Polymer Composite) composed of an insulating polymer matrix and conductive fillers, allows to detect the solvent presence by the swelling of the polymer that induces the conductive network deconnexion and the decrease of the electrical conductivity. The use of carbon nanotubes (CNT) as conductive fillers is a biggest advantage because only a low content is necessary to achieve the appropriate electrical conductivity for sensing (10-3 S/m). The different sensitive and spinnable matrices are polycarbonate (PC), polylactide (PLA) and polyethylene terephthalate (PET). The percolation threshold of CNT in 1.5 mm diameter monofilament, produced by extrusion, is determined between 1.5 and 2 wt.% of CNT. The elaboration of multifilament yarns by melt spinning process show a decrease of the conductivity with the drawing effect. In order to maintain the electrical properties, PLA fibers containing at least 4 % of CNT and having a minimum diameter of 80 µm have to be produced. In this way it is necessary to introduce a plasticizer to improve the composites spinnability. The electrical, thermal, mechanical, morphological properties and fluidity of filaments were studied depending on the processing conditions and their composition. Composite fibers, close the percolation threshold, show sensitivity to humidity, ethanol and toluene

Le but de ce travail est de concevoir un capteur, et sa chaîne de mesure, permettant d'évaluer l'allongement de la toile de voilure d'un parachute pendant sa phase d'ouverture. C'est en effet la phase la plus critique au niveau des efforts encaissés par la structure. Aucun système actuel ne permet d'effectuer cette mesure en conditions réelles, du pliage compact dans le sac jusqu'à l'atterrissage. Nous avons choisi les Composites Polymères Conducteurs (CPC) pour la réalisation de ces capteurs. Ils sont constitués d'une matrice élastomère thermoplastique (SBS) et de nanoparticules de noir de carbone (CB). Ils sont obtenus par une voie originale, la voie solvant. Ils présentent un comportement piezorésistif pour une concentration de charge supérieure au seuil de percolation, et grâce à leur souplesse, sont bien adaptés aux déformations subies par la toile. Après une étude d'optimisation sur la formulation du CPC, nous avons mis au point le procédé de pose du capteur sur le parachute. Le composite retenu contient un taux de CB de 35%-wt. Le capteur a la forme d'une piste conductrice de faible épaisseur et est protégée d'un film de latex. Son comportement électromécanique a pu être modélisé à travers une relation simple. L'étude de l'influence des conditions climatiques sur le comportement du capteur montre que la résistance électrique dépend de l'adsorption de molécules d'eau par le noir de carbone. La température influe également sur la conductivité par le biais des transitions de phases de la matrice et de la conduction par saut électronique (hopping). La chaîne d'acquisition de données a aussi été mise au point. Des solutions analogique et numérique ont été développée pour être compatible avec la mesure sur voilure de parachute. Au final, c'est une solution numérique avec un enregistrement autonome des données qui semble la plus adaptée. Un premier essai en vol avec notre capteur a permis de valider le capteur et la chaîne de mesure.