Letteratura scientifica selezionata sul tema "Caractérisation non destructive par ultrasons (UNDE)"

Cette étude novatrice consiste à mettre en oeuvre dans un même protocole expérimental, trois techniques de caractérisation non destructive en simultané : l’émission acoustique, la thermographie infrarouge et les ultrasons pour la caractérisation de l’endommagement des matériaux Composites à fibres continues et à Matrice Polymère (CMP) à plis croisés [0/90]S. Chaque technique a permis demontrer sa potentialité à révéler l’endommagement dépendant de ses spécificités intrinsèques. L'émission acoustique a été utilisée sous sa forme classique et couplée avec une classification de données obtenue par les k-means et la carte de Kohonen. La thermographie infrarouge a été étudiée selon ses deux formes passive et active, les méthodes ultrasonores ont été exploitées en termes d’amplitude et de vitesse des ondes longitudinales et des ondes de Lamb respectivement. Il a été montré que l’approche multitechnique adoptée dans ce travail est très intéressante pour obtenir un diagnostic complet sur l’état de santé du matériau au repos et sous différents niveaux de chargement mécanique en traction. Il s’est avéré aussi que l’aspect « complémentarité » entre les trois techniques était plus envisageable que celui de la « redondance ». La fusion des données a été utilisée pour avoir une prise de décision fiable, complète et plus crédible sur les différents mécanismes d’endommagement susceptibles d’apparaître dans un matériau CMP. Ceci n’a été possible que pour les deux techniques d’imagerie, le C-scan ultrasonore et la thermographie infrarouge. En conclusion, les résultats montrent que ces trois techniques sont potentiellement capables de qualifier l’état d’endommagement du matériau, mais qu’elles ne le quantifient pas de la même manière
This innovative study consists to implement in the same experimental procedure three non destructive techniques simultaneously: acoustic emission, infrared thermography and ultrasonic waves for the characterization of damage in cross ply Polymer Composite Materials (PCM) [0/90]S. Each technique has demonstrated its potential to reveal the damage that depends on its intrinsic characteristics. Acoustic emission has been used in its classical form and coupled with a data classification obtained by k-means and Kohonen map. Infrared thermography has been studied using both passive and active forms, ultrasonic methods have been used by exploiting amplitude and velocity of longitudinal and Lamb waves respectively. It has been shown that the adopted multi-technique approach is veryinteresting to obtain a full diagnostic of the health state of the material before and after uniaxial mechanical loading. The “complementarity” aspect between the three used techniques is showed more interesting that “redundancy” aspect. The data fusion theory was used to have a reliable, comprehensive and credible decision about the different damage mechanisms may appear in PCM material. This has been possible only for the two imaging techniques, ultrasonic C-scan and infrared thermography. All in all, the results show that these three techniques are potentially able to describe the damage state of the material, but they don’t quantify it with the same manner

Cette thèse porte sur la caractérisation non destructive par ondes ultrasonores des échantillons représentatifs des pales d’éoliennes offshore, avec confrontation aux tests mécaniques. Les échantillons sont en matériaux composites à base de la résine polyester renforcée par des fibres de verre UD GFRP (Unidirectional Glass Fibers Reinforced Polyester). Ils sont soumis à un vieillissement accéléré dans l’eau de mer chauffée à 40 °C et à 60 °C, afin de simuler le milieu marin et réduire la durée d’étude. L’objectif est de trouver des paramètres acoustiques sensibles au vieillissement permettant d’évaluer l’effet du vieillissement ou de le quantifier. L’analyse par ondes guidées de Lamb a montré une diminution des vitesses de phase des modes et de la vitesse de Rayleigh, ainsi que l’augmentation de l’atténuation dans le matériau, ce qui indique que les propriétés mécaniques des matériaux se dégradent à cause du vieillissement. L’imagerie C-scan montre une dégradation de la résine, entraînant la réorganisation des fibres et la modification de leur alignement. Une modélisation numérique par la méthode des éléments finis de la propagation des ondes guidées dans ces matériaux a montré que les propriétés structurelles et géométriques des matériaux se dégradent à cause du vieillissement. Les paramètres les plus attaquées sont les constantes d’élasticité, ainsi que la masse volumique pour des vieillissement plus forts et plus longs. Enfin, le nombre des plis des renforts dans un échantillons joue un rôle important dans sa résistance au vieillissement
This thesis discusses the ultrasonic non-destructive characterization of representative samples of offshore wind turbine blades. The samples are made of composite materials based on Unidirectional Glass Fibers Reinforced Polyester (UD GFRP). Samples are subjected to accelerated aging in heated seawater at 40°C and 60°C, in order to simulate the marine environment and reduce study times. The aim is to find acoustic parameters sensitive to aging, enabling the effect of aging to be assessed or quantified. Lamb's guided wave analysis showed a decrease in mode phase velocities and Rayleigh velocity, as well as an increase in attenuation in the material, indicating that the mechanical properties of the material are degrading due to aging. C-scan imaging shows degradation of the resin, leading to reorganization of the fibers and changes in their alignment. Finite element numerical modelling of guided wave propagation in these materials has shown that the structural and geometric properties of the materials degrade with age. The parameters most affected are the elasticity constants, as well as the density for stronger and longer aging. Finally, the number of reinforcement plies in a sample plays an important role in its resistance to aging

Le silicium poreux est un matériau qui est actuellement utilisé dans de nombreux domaines, tels que la biologie ou la microélectronique, grâce à ses propriétés remarquables. De nombreuses applications sont étudiées au sein du laboratoire GREMAN, telles que la fabrication de vias électrique ou de capacités 3D. Le matériau étudié au sein de cette thèse est du mésoporeux, qui est utilisé comme substrats dans les applications RF. La caractérisation non destructive de ce matériau est encore limitée, soit selon l’épaisseur de la couche poreuse, soit selon la taille des pores. Cela limite ainsi l’industrialisation des procédés de fabrication de silicium poreux. Une technique ultrasonore de caractérisation est proposée dans cette thèse afin de permettre un suivi de la gravure in situ et en temps réel. Ainsi les variations de gravure peuvent être contrôlées
Porous silicon is a material that is currently used in many fields such as biology and microelectronics, thanks to its remarkable properties. Non-destructive characterization of this kind of material is still limited, mostly due to thickness of porous layer and pore size. The aim of this work is the development of an ultrasonic characterization method to allow monitoring of in situ etching in real time. First, the study of electrochemical etching and tanks where it is made to have the estimated microgeometric parameters of the porous layer. Through knowledge of the pore size and orientation, the mechanical constants md the values of permeability and tortuosity are estimated. Second, propagation of the ultrasonic waves within the material bi-porous Si-Si layer is examined. Modelling of the porous i layer is performed through the Biot model to estimate the longitudinal speed to calculate the theoretical spectrum transmission through the etched wafer. A measurement using an insertion-substitution method allows a determination of transmission spectrum. The parameters of the porous layer (thickness and porosity ) are determined by an inverse problem resolution, based on a genetic algorithm. A comparison with destructive measurements shows the interest of the ultrasonic measurement

Trois techniques non destructives ont été appliquées au suivi de la transformation par plasticité cyclique de l'austénite en martensite dans l'acier inoxydable austénitique 304L : les mesures ultrasonores, les courants de Foucault et l'émission acoustique. Elles ont été complétées par des observations métallographiques et étalonnées par rapport à des mesures quantitatives en diffraction des rayons X. Dans le régime de fatigue olicyclique étudié (ouverture de cycle de fatigue de 0,5 %, durée de vie de l'ordre de 1000 cycles), un pourcentage significatif de martensite se forme. Mais sa répartition spatiale est hétérogène : formation précoce dans les coins d'éprouvettes de traction à section rectangulaire, puis près des surfaces libres et enfin beaucoup plus lente à coeur. Dans ces conditions, les mesures globales aux ultrasons sont peu sensibles : elles détectent simplement l'endommagement en fin de vie via l'augmentation de l'atténuation. En revanche, une mesure locale por courants de Foucault est sensible à la transformation martensitique et la décrit quantitativement à l'échelle de la sonde. L'émission acoustique est une mesure globale d'un grand nombre d'événements locaux : plasticité, endommagement (par microfissuration), transformation martensitique. Trois classes de salves ont été séparées et attribuées à chacun des événements. En particulier, il est possible de distinguer l'endommagement de la transformation martensitique ainsi mesurée est cohérente avec les mesures par courants de Foucault. L'intérêt d'un recoupement de ces techniques non destructives est ainsi démontré, de même qu'il l'avait été au préalable sur un échantillon de béton en utilisant cette fois les ultrasons et l'émission acoustique
Three different non-destructive evaluation techniques have been applied to the monitoring of cyclic-strain-induced martensitic transformation in austenitic stainless steel 304L, namely ultrasonic measurements, eddy current characterisation and acoustic emission. They have been backed up by metallographic observations and made quantitative by comparison with X-ray diffraction measurements. In the low-cycle fatigue that was studied (cyclic strain 0. 5 %, fracture in about 1000 cycles), a significant amount of martensite is formed. But it is heterogeneously distributed: early transformation in the corners of rectangular-section tensile specimens, slower transformation close to the flat free surfaces and even slower in bulk. Considering this heterogeneity, global ultrasonic measurements are not adapted: they only detect damage through an increase of attenuation. On the other hand, local measurements with an eddy current probe proved sensitive to the martensitic transformation and even quantitative. Acoustic emission is a global collection of the local bursts in the sample, that can be caused by plasticity, damage growth (microcracks) and martensitic transformation. Three classes were sorted and attributed to each of these phenomena. It is possible to distinguish damage from martensitic transformation, and the rate of transformation is consistent with the one evaluation by eddy currents on the same sample. The interest and potential of a combination of these non-destructive techniques has therefore been demonstrated, as it had been on a previous concrete sample using ultrasounds and acoustic emission

L'objectif principal de ce travail est l'évaluation ultrasonore des propriétés d'élasticité linéaire et non linéaire d'alliages d'aluminium et leur suivi lors d'une déformation plastique. Dans ce but, un banc ultrasonore en immersion associé à une machine de traction a été développé. Il permet de mesurer les vitesses de propagation ultrasonore en incidence variable pour des matériaux sous traction uniaxiale. Hors charge, le problème inverse, qui consiste à identifier les constantes d'élasticité à partir des vitesses, a été résolu par une optimisation tridimensionnelle. Cette méthode a été validée par simulation, puis les neuf constantes d'élasticité de matériaux orthotropes (composites) et quasi-isotropes (alliages d'aluminium) ont été identifiées. Les incertitudes associées ont été calculées par une méthode statistique de type Monte-Carlo. Sous charge, l'anisotropie induite par une déformation élastique a été étudiée, et les constantes d'élasticité du troisième ordre d'alliages d'aluminium ont été déterminées par optimisation sur les réponses acoustoélastiques. Pour de faibles taux de déformation plastique, l'effet des dislocations sur les vitesses de propagation a été mis en évidence. L'effet de la déformation plastique sur les constantes d'élasticité du troisième ordre a été étudié au travers du paramètre de non linéarité. Pour les grandes déformations plastiques, la caractérisation in situ s'est avérée difficile, principalement en raison de la non-uniformité de la déformation plastique dans la zone de mesure. Après rectification des éprouvettes, de faibles variations de vitesses et de constantes d'élasticité effectives du deuxième ordre en fonction de la déformation plastique ont été observées. Malgré la difficulté pour évaluer l'endommagement des alliages d'aluminium au moyen d'ondes de volume, la précision du montage expérimental a permis d'acquérir ces paramètres, traduisant l'anisotropie de l'endommagement
The first aim of this work is to evaluate the linear and nonlinear elastic properties of weak anisotropic aluminium alloys at their initial state and to follow their evolution during a plastic strain. Considering this aim, an instrumentation was implemented, composed of an ultrasonic tank combined with a tensile machine. This device allows the measurement under load of the ultrasonic velocity for various directions of propagation through the material. Without the load, the inverse problem, that is to say the determination of the elastic constants from the ultrasonic velocities was solved by means of a three-dimensional optimization. This method has been checked by simulation, and the nine elastic constants of orthotropic materials (composites) and quasi-isotropic materials (aluminium alloys) were determined. The associated uncertainties were evaluated too, using a Monte-Carlo statistic method. Under load, the anisotropy induced by an elastic deformation was studied, and the third order elastic constants of aluminum alloys were determined by an optimization on the acoustoelastic responses. For small plastic strains, the effect of dislocations on ultrasonic velocities was pointed out. The effect of the plastic strain on the third order elastic constants was examined through the nonlinearity parameter. For large plastic strains, the in situ characterization proved difficult, principally because of the nonuniformity of the plastic strain in the area of measurement. After the test pieces have been machined, small variations of the ultrasonic velocity and of the second order elastic constants with plastic strain were detected. Despite how difficult it is to evaluate aluminium alloys being damaged by means of ultrasonic waves, the precision of the instrumentation allowed us to acquire these parameters, attesting to the anisotropy of the damage

Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés en aéronautique. Leurs excellentes propriétés mécaniques et leur faible poids leur procurent un avantage certain par rapport aux matériaux métalliques. Ceux-ci étant soumis à diverses conditions de chargement et environnementales, ils sont susceptibles de subir plusieurs types d'endommagements, compromettant leur intégrité. Des méthodes fiables d'inspection sont donc nécessaires pour évaluer leur intégrité. Néanmoins, peu d'approches non destructives, embarquées et efficaces sont présentement utilisées. Ce travail de recherche se penche sur l'étude de l'effet de la composition des matériaux composites sur la détection et la caractérisation par ondes guidées. L'objectif du projet est de développer une approche de caractérisation mécanique embarquée permettant d'améliorer la performance d'une approche d'imagerie par antenne piézoélectrique sur des structures composites et métalliques. La contribution de ce projet est de proposer une approche embarquée de caractérisation mécanique par ultrasons qui ne requiert pas une mesure sur une multitude d'échantillons et qui est non destructive. Ce mémoire par articles est divisé en quatre parties, dont les parties deux à quatre présentent les articles publiés et soumis. La première partie présente l'état des connaissances dans la matière nécessaire à l'accomplissement de ce projet de maitrise.Les principaux sujets traités portent sur les matériaux composites, propagation d'ondes, la modélisation des ondes guidées, la caractérisation par ondes guidées et la surveillance embarquée des structures. La deuxième partie présente une étude de l'effet des propriétés mécaniques sur la performance de l'algorithme d'imagerie Excitelet. L'étude est faite sur une structure isotrope.Les résultats ont démontré que l'algorithme est sensible à l'exactitude des propriétés mécaniques utilisées dans le modèle. Cette sensibilité a également été explorée afin de développer une méthode embarquée permettant d'évaluer les propriétés mécaniques d'une structure. La troisième partie porte sur une étude plus rigoureuse des performances de la méthode de caractérisation mécanique embarquée. La précision, la répétabilité et la robustesse de la méthode sont validés à l'aide d'un simulateur par FEM.Les propriétés estimées avec l'approche de caractérisation sont à moins de 1% des propriétés utilisées dans le modèle, ce qui rivalise avec l'incertitude des méthodes ASTM. L'analyse expérimentale s'est avérée précise et répétable pour des fréquences sous les 200 kHz, permettant d'estimer les propriétés mécaniques à moins de 1% des propriétés du fournisseur. La quatrième partie a démontré la capacité de l'approche de caractérisation à identifier les propriétés mécaniques d'une plaque composite orthotrope.Les résultats estimés expérimentalement sont inclus dans les barres d'incertitude des propriétés estimées à l'aide des tests ASTM. Finalement, une simulation FEM a démontré la précision de l'approche avec des propriétés mécaniques à moins de 4 % des propriétés du modèle simulé.

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

Cette thèse porte sur l’évaluation et la caractérisation non destructives (END/CND) par ultrasons de matériaux composites contribuant en partie au concept de contrôle santé structural (SHM). Plus particulièrement, les phénomènes d’adhésion et de vieillissement de structures sandwichs composites à âme en nid d’abeille sont d’un intérêt déterminant pour l’aéronautique. Les propriétés liées à ces deux phénomènes ont été étudiées à l’aide de modèles théoriques, de simulations numériques et de résultats expérimentaux. Sur la base de travaux antérieurs, les ondes de Lamb ont permis de caractériser l’adhésion et le vieillissement. Des simulations complémentaires par éléments finis ont été menées avec le logiciel Comsol Multiphysics©. Des défauts d’adhésion tels que les délaminages ou décohésions ont pu être détectés et localisés au moyen de la Transformée de Fourier à Court Terme (TFCT) par fenêtre glissante, par simulation et par l’expérience. Dans la perspective de cadences d’END industrielles, les transducteurs multiéléments permettent une inspection et une caractérisation locales du collage. À titre de comparaison, la modélisation par série de Debye (DSM) a permis de résoudre localement le problème inverse sur un plan de coupe d’un composite à nid d’abeille. Le vieillissement de structures sandwichs a été étudié dans un premier temps par ondes de Lamb dans l’air et dans un second temps par mesure d’impédance électromécanique via un transducteur en contact avec les échantillons. Les résultats de modélisation et expérimentaux montrent que les fréquences et largeurs de résonances varient suivant le taux de porosités, illustrant la sensibilité de ces méthodes au vieillissement
This thesis focuses on the ultrasonic non-destructive testing and evaluation (NDT&E) of composite materials contributing in part to the concept of structural health monitoring (SHM). Specifically, adhesion phenomena and aging of composite sandwich core honeycomb structures are of crucial interest for aeronautics. The properties related to these two phenomena were studied using theoretical models, numerical simulations and experimental results. Based on previous works, using Lamb waves allow to characterize adhesion and aging. Additional simulations were carried out with the finite element software Comsol Multiphysics©. Adhesion defects such as delamination or debonding at the interfaces have been detected and located by means of the Short Term Fourier Transform (STFT) by sliding window, both numerically and experimentally. In view of NDT industrial rates, phased array transducers allow inspection and characterization of local bonding. By comparison, the Debye series method (DSM) was conducted locally to solve the inverse problem of a cut plane of a honeycomb composite. First, sandwich structure aging was investigated using Lamb waves in the air. Second, the aging was evaluated by measuring the electromechanical impedance of a transducer in contact with the samples. These experimental results show that the resonance frequencies and widths variations depend on the degree of porosity, indicating the sensitivity of these methods to the aging