Les collages ont pris une part de plus en plus importante dans le monde de l’industrie aérospatiale ces dernières années. Il s’agit essentiellement de collages structuraux dont le niveau de fiabilité attendu est très élevé. Cependant, le contrôle de leur état de santé après fabrication et au cours de leur vie reste un frein essentiel à leur utilisation. Il convient en effet de contrôler les endommagements liés à l’environnement extérieur et aux conditions de contraintes et de sollicitations thermiques. Pour le moment, les contrôles effectués sont des tests destructifs, très couteux. Le but de la thèse est de participer au développement d’une méthode de contrôle non destructif. Pour cela, des recherches bibliographiques ont mené à l’utilisation des ondes guidées ultrasonores qui permettent une investigation des collages sur de longues distances. La simulation de la propagation de ces ondes guidées a consisté en un modèle éléments finis en deux dimensions dans lequel le concept de raideur d’interface est introduit afin de prendre en compte des variations de la valeur de l’adhésion. Les études numériques ont permis de prévoir avec quels modes et à quelles fréquences obtenir des sensibilités à des défauts de type cohésif (absence de colle) mais aussi adhésif (pollution d’interface, sablage). Leurs résultats ont été confrontés à ceux expérimentaux obtenus sur des joints collés à simple recouvrement. Il a été observé que les modes de Lamb A0 et S0 et le mode de cisaillement horizontal SH0 étaient sensibles de façon plus ou moins importante à ces défauts. Ces résultats ont ensuite été discutés grâce à l’étude de certains facteurs influant sur la transmission des ondes guidées. / Abstract

Différents modèles sont développés de façon à constituer des outils génériques pour la simulation de méthodes de contrôle non-destructif par ondes élastiques guidées de plaques métalliques ou composites. Diverses méthodes de contrôle de ces structures existent ou sont à l’étude. La plupart font appel à des sources ultrasonores de taille finie ; toutes sont confrontées aux phénomènes de réflexion résultant de la taille finie des objets contrôlés. Les modèles développés traitent des phénomènes de diffraction associés aux sources et de réflexion sur un bord de plaques. Comme l’interprétation des signaux mesurés lors de contrôle par ondes guidées fait souvent appel à la notion de modes guidés, les modèles sont eux-mêmes modaux. Les cas de plaques isotropes (métalliques) et anisotropes (composites multicouches) sont considérés ; une approche générale suivant l’approximation de la phase stationnaire permet de traiter tous les cas d’intérêt. Pour les premiers, la validité d’une approximation de type Fraunhofer permet de traiter très efficacement les champs directs et réfléchis rayonnés par une source. Pour les derniers, une attention particulière est portée sur le traitement des caustiques. La méthode de la phase stationnaire étant difficile à généraliser, un modèle de pinceau, de nature plus géométrique, est proposé présentant un haut degré de généricité. Il met en cascade des termes de propagation en milieu isotrope ou anisotrope et d’interaction avec une frontière. L’équivalence de la méthode de la phase stationnaire au modèle de pinceau est démontrée pour le rayonnement et la réflexion dans une plaque isotrope, cas faisant l’objet d’une validation expérimentale. / Different models are developed to provide generic tools for simulating nondestructive methods relying on elastic guided waves applied to metallic or composite plates. Various inspection methods of these structures exist or are under study. Most of them make use of ultrasonic sources of finite size; all are sensitive to reflection phenomena resulting from the finite size of the monitored objects. The developed models deal with transducer diffraction effects and edge reflection. As the interpretation of signals measured in guided wave inspection often uses the concept of modes, the models themselves are explicitly modal. The case of isotropic plates (metal) and anisotropic (multilayer composites) are considered; a general approach under the stationary phase approximation allows us to consider all the cases of interest. For the first, the validity of a Fraunhofer-like approximation leads to a very efficient computation of the direct and reflected fields radiated by a source. For the second, special attention is paid to the treatment of caustics. The stationary phase approximation being difficult to generalize, a model (so-called “pencil model”) of more geometrical nature is proposed with a high degree of genericity. It chains terms of isotropic or anisotropic propagation and terms of interaction with a boundary. The equivalence of the stationary phase approximation and the pencil model is demonstrated in the case of the radiation and reflection in an isotropic plate, for which an experimental validation is proceeded.

Afin d'améliorer le processus de classement des poutres en bois à usage structurel, l'objectif de ce travail consiste à imaginer et mettre en œuvre un système de mesure capable d'estimer de manière non destructive et fiable le module d'élasticité longitudinal et la contrainte à la rupture des avivés. Cette problématique inclut la possibilité de détecter et de quantifier le ou les défauts présents dans les pièces de bois. Pour atteindre l'objectif fixé, plusieurs étapes sont nécessaires. Ces différentes étapes sont présentées en détails dans l'ordre logique, et chronologique, pour des raisons de clarté. La première étape expose les modèles classiques, utilisés en analyse modale, en précise les limites de validité, puis établit une nouvelle approche théorique permettant de prendre en compte et de caractériser la présence de singularités dans les poutres en vibrations. La deuxième étape permet d'établir la liaison entre la théorie des vibrations de plaque et celle de poutre. Cette étape précise ainsi la limite de validité des modèles classiques de poutre en vibrations lorsque les dimensions de la section transverse sont différentes, ce qui est généralement le cas des poutres à usage structurel. La troisième partie permet de caractériser dans la gamme de fréquence concernée, par le biais d'une modélisation viscoélastique du comportement dynamique du matériau, l'ensemble des transformations subies par les ondes se propageant dans les poutres en vibrations. La quatrième partie pose le problème de la détection du nombre des singularités et de leur position à partir d'une méthode basée sur l'impact – echo, analysant les réflexions des ondes propagatives à l'interface entre différents milieux. La cinquième et dernière partie permet de juger de l'efficacité de l'ensemble des méthodes non destructives, développées au cours des précédentes étapes, à partir d'essais expérimentaux sur plusieurs lots de bois à usage structurel, quant à l'estimation des valeurs mécaniques de référence par des traitements statistiques appropriés.

En vue de simuler une expérience de contrôle non destructif par ondes ultrasonores guidées, on considère un guide élastique 2D (une plaque) ou 3D (une barre) qui comporte un défaut (fissure, hétérogénéité locale due à une soudure etc...). L'objectif est de résoudre numériquement le problème de la diffraction d'un mode du guide par le défaut. Nous nous sommes attachés à mettre au point une méthode couplant des éléments finis dans une portion (aussi petite que possible) du guide, contenant le défaut, avec des décompositions modales de part et d'autre du défaut. La difficulté consiste à écrire la bonne condition de raccord entre ces deux représentations. Le point important est d'avoir à sa disposition une relation d'orthogonalité permettant de projeter la solution éléments finis sur les modes. Ceci conduit à formuler le problème à l'aide de vecteurs hybrides déplacement/contrainte pour lesquels il existe une relation de bi-orthogonalité : la relation dite de Fraser. On peut alors écrire une condition exacte (ou transparente) à la troncature modale près, sur les frontières artificielles du domaine de calcul. Il faut enfin intégrer cette condition aux limites dans une approche variationnelle (en déplacements) en vue de développer une méthode d'éléments finis. Du fait du caractère hybride de la condition, on doit pour cela introduire comme inconnue supplémentaire la composante normale de la contrainte normale définie sur la frontière artificielle et écrire une formulation mixte. Nous avons traité numériquement les cas bidimensionnel et tridimensionnel d'un guide isotrope à bords libres. Les modes du guide sont calculés numériquement par une approche originale utilisant à nouveau les vecteurs hybrides déplacement/contrainte, qui permet de conserver au niveau discret la relation de biorthogonalité. Le code développé permet de calculer très rapidement la "matrice de scattering

Ces travaux ont pour objectif de proposer une réparation de mise en œuvre simple et adaptée au défaut sur matériaux composites de type « impact faible énergie » très courant au sein des structures aéronautiques. Une méthode d'infiltration de résine dans le dommage est proposée. Après une étude analytique du principe, un banc d'essai a été réalisé pour valider la capacité d'infiltration évaluée notamment par CND. Dans un deuxième temps, une démarche globale (numérique et expérimentale) de validation mécanique des réparations composites est mise en place. Des essais classiques et plus originaux sont proposés pour l'analyse de la ténacité de l'interface réparée à l'échelle du matériau (DCB, ENF, Traction rainurée) puis à une échelle représentative de structure (CAI, re-poinçonnement).

Devant les difficultés rencontrées pour l'exploration de surfaces complexes, en particulier dans l'industrie nucléaire, le traducteur ultrasonore multiéléments conformable permet un contrôle non destructif de pièces à géométrie complexe 3D. Ce type de capteur est un réseau matriciel composé d'émetteurs indépendants moulés dans une résine mécaniquement souple. Une analyse vibratoire par éléments finis permet de définir la structure émettrice en piézocomposite 1-3, ce qui conduit à l'élaboration d'éléments émetteurs. L'étude expérimentale de ces dispositifs a mené au développement du modèle semi-analytique, pour prendre en compte les contraintes tangentielles calculées à l'interface entre l'émetteur et le milieu de propagation, par éléments finis. Ceci permet de visualiser quelques phénomènes liés au couplant fluide et améliore la prédiction du champ en ondes transverses. De là, un prototype du réseau conformable a été caractérisé en transmission et en échographie.

Les métallurgistes d'ArcelorMittal développent actuellement une nouvelle génération d'aciers " flat carbon" dédiés principalement au domaine automobile (aciers Dual- Phase ou DP). Afin d'augmenter la performance des aciers au carbone, ArcelorMittal développe une stratégie de production intelligente basée sur un contrôle non destructif en ligne de production en utilisant le capteur 3MA (Multi-Parameter Micro-Magnetic Microstructure and Stress Analyzis). Ce système a été développé par l'Institut Fraunhôfer IZFP ; il est dédié à divers domaines d'applications de contrôle non destructifs des aciers en ligne. L'objectif principal de cette recherche est de simuler le comportement magnétique du dispositif industriel 3MA via la méthode des éléments finis. La modélisation du système (dispositif CND et échantillon) présente des difficultés au niveau du maillage et du temps de calcul surtout avec la mise en œuvre du modèle d'hystérésis. En effet, le système présente une géométrie multi échelles spatiale et temporelle. Afin de palier à ces problèmes, une stratégie de calcul a été développée et validée en 2D, en séparant calcul haute fréquence (HF) et basse fréquence (LF). Cette méthode permet d'effectuer des calculs en plusieurs fois et prend moins d'espace mémoire. Le modèle d'hystérésis de Jiles-Atherton a été choisi pour sa précision et a été implémenté dans le code FEM Flux afin de décrire le comportement magnétique du matériau. Les résultats obtenus sont en accord avec les données expérimentales.

L'habilitation à diriger des recherches est une occasion de s'arrêter et prendre un moment pour faire le point sur le passé et de réfléchir sur l'avenir de sa carrière. Dans cette optique, ce mémoire est une rétrospective des douze dernières année de ma carrière, des années que j'ai passées au Centre de Morphologie Mathématique de Mines-ParisTech, où j'ai mené mes travaux de recherche. Dans ce mémoire, j'ai répertorié ces travaux autour de deux axes principaux. Le premier axe, méthodologique, fait état des avancées méthodologique de la détection d'objets fins. Le second axe - algorithmique - répertorie des algorithmes originaux, et mises en pratiques efficaces, toujours présentés dans le contexte de détection d'objets fins. Dans le cadre du premier axe, on répertorie trois contributions principales : - une approche morphologique variant dans l'espace, contrôlée par une analyse locale des structures, nommée approche morpho-hessienne. - ouverture parcimonieuses par chemins - est une variante parcimonieuse des ouvertures par chemin, obtenue en découplant la recherche des chemins et leur filtrage. Cette approche permet non seulement de définir des opérateurs nouveaux, mais également de baisser de manière significative la complexité et, par conséquent, le temps de calcul. - amincissement par attributs - basés sur un attribut original - le diamètre géométrique, permettent l'extraction d'éléments fins de manière très efficace. Dans le cadre du second axe - algorithmique - on répertorie des algorithmes originaux, et mises en pratiques efficaces, toujours présentés dans le contexte de détection d'objets fins. Dans ce volet, nous retrouvons: - un algorithme de dilatation 1-D et - deux algorithmes différents d'ouverture morphologique 1-D. Ces trois algorithmes présentes des propriétés intéressantes pour une mise en œuvre efficace. Dans le volet de mises en pratique efficaces nous retrouvons des réalisations pour des applications de traitement d'images travaillant sous fortes contraintes temps réel: - plusieurs réalisation matérielle (FPGA), et - une réalisation GPU, ont permis de valider l'efficacité calculatoire de ces algorithmes. Entre autre, nous avons pu proposer une première réalisation de processeur morphologique à taille de voisinage arbitrairement large. La taille du voisinage (même très grande) n'introduit ni de difficulté de réalisation, ni d'impact négatif sur l'efficacité de calcul. Un chapitre entier est consacré à la partie applicative, faisant état des collaborations industrielles. La section principale est consacrée aux applications industrielles, du domaine de sciences de matériaux, et plus particulièrement l'inspection ou le contrôle. Le deuxième section vient du domaine médical et biomédical. Enfin, une troisième section, plus courte, est consacrée aux applications spéciales ou embarquées. Ce mémoire est annexé par une sélection de mes principales publications scientifiques permettant de retrouver aisément les références bibliographiques les plus importantes de ce mémoire.

Les travaux présentés dans cette thèse contribuent au développement du contrôle non destructif des conduits de précontrainte extérieure dans les ouvrages d'art. Une sonde capacitive a été développée pour ausculter ces conduits. L'objectif est d'en améliorer le diagnostic.Dans un premier temps, une cellule de mesure en transmission coaxiale a été développée pour caractériser les matériaux présents dans le conduit sur la bande de fréquence 50 MHz - 1 GHz. Le ciment, les produits de la ségrégation du ciment et la cire d'injection ont été étudiés.La deuxième partie du travail exploite ces résultats dans une modélisation directe du problème global. Une étude paramétrique nous a permis de proposer une méthode d'estimation de l'épaisseur de vide à l'intérieur du conduit à partir des signaux délivrés par la sonde, qui a pu être validée sur une maquette de conduit. A partir de ces résultats sont proposées plusieurs améliorations du dispositif visant à l'obtention de signaux plus riches issus des capteurs, afin de pouvoir estimer un plus grand nombre de paramètres.

Nous mettons à profit la dynamique photoréfractive d'un cristal semi-conducteur de GaAs pour la réalisation d'un capteur de vibrations de basses fréquences (<10 kHz) et de grandes amplitudes (plusieurs mm) fonctionnant en régime de vélocimétrie et insensible à l'état de surface de l'objet. Le principe consiste à coupler dans le matériau photoréfractif une onde référence et une onde signal porteuse de l'information vibratoire d'un objet quelconque à étudier. Les deux ondes écrivent un hologramme dynamique qui suit partiellement le déplacement de la figure d'illumination. L'onde référence diffracte sur le réseau créé pour donner naissance à une onde ayant le même profil spatial que l'onde signal transmise et portant une partie de l'information de la modulation de phase. Les deux ondes interfèrent en teinte plate sur une photodiode permettant d'obtenir un signal électronique proportionnel à la vitesse instantanée de la cible en vibration. La réalisation d'un prototype a permis de valider pleinement le modèle théorique développé et montrer l'insensibilité de la réponse à l'état de surface de la cible. Le régime de fonctionnement linéaire du capteur est limité essentiellement par le temps de réponse du matériau holographique. Pour élargir la gamme de fonctionnement de notre système, nous avons montré qu'il était possible d'extraire, par simple traitement optique, la vitesse instantanée de l'objet même lorsque la réponse était non linéaire. Mots-clés : contrôle non destructif, optique non linéaire, milieu holographique, matériaux photoréfractifs