Le secteur aéronautique ayant des exigences toujours plus contraignantes, l’emploi de nouveaux matériaux pour les structures a été incontournable. C’est pourquoi le composite à fibre de carbone a fait son apparition dans les structures d’avions, épaulé par des pièces en alliage de titane, majoritairement du Ti6Al4V. Ces matériaux sont alors disposés en empilages et percés en une seule opération pour être ensuite assemblés par des rivets ou des boulons. Un certain nombre de problèmes, d’un point de vue industriel, sont soulevés par cette opération, générant des surcoûts importants. Les verrous technologiques et scientifiques liés à cette opération seront donc analysés au cours de cette étude.La connaissance des efforts locaux exercés par l’outil sur la matière usinée constitue un premier point permettant l’amélioration de la compréhension des phénomènes survenant lors de la coupe. Pour cela plusieurs procédés seront expérimentés pour déterminer avec précision les efforts subis par l’outil tout au long du perçage. Afin de compléter les informations relatives aux efforts sur l’outil, l’analyse de la température au sein du foret est nécessaire. Plusieurs dispositifs expérimentaux de mesure de la température in-situ sont développés.Ces dispositifs ont permis l’usinage instrumenté de trous à la fois dans chacun des deux matériaux composant l’empilage et dans l’empilage afin de comprendre au mieux les phénomènes survenant lors de ces opérations. / The aeronautic field has stronger and stronger requirements so the use of materials for structures has been unavoidable. That’s why carbon fiber composite is appeared in plane structures, used with elements in titanium alloy, and most part of them in Ti6Al4V. These materials are also dispatched in stacks and are drilled in a “one shot” operation, in the aim of being assembled with rivets or bolts. Through the industrial point of view, many problems are highlighted by this operation, generating several over costs. Technologic and scientific locks linked with this operation will be analyzed in this study.The knowledge of local stresses exerted by the tool on the machined matter is the first point allowing the improvement of the understanding of phenomenon that occurs during cutting. Few processes will be experimented to determine stresses submitted by the tool during drilling with accuracy. In the aim of completing the knowledge of the cutting operation, the analysis of the temperature inside the drill is needed. That’s why different experimental devices of thermal measurement are developed.These devices have allowed instrumented machining of holes in each material separately and in the stack of Ti6Al4V/CFRP in order to understanding phenomenon that occur during this operations.

Dans le domaine aéronautique les structures sont soumises à de la fatigue sonique due aux phénomènes aéro-acoustiques. Le dimensionnement statique actuel des avions composites couvre les cas de charge en fatigue. Mais avec le besoin de toujours plus réduire la masse de l’avion et l’augmentation des connaissances dans le comportement matériau, les marges statiques vont être réduites dans un futur proche et la propagation par fatigue deviendra un enjeu majeur. Il sera donc nécessaire d’évaluer la possibilité de propagation d’un délaminage dû à une erreur de fabrication ou un impact dans une structure composite. Dans ce contexte, une méthode a été proposée pour étudier la propagation de délaminage sous chargement vibratoire. Tout d’abord, des essais de caractérisation de la propagation de délaminage sous chargement vibratoire ont été mis en place et validés pour les deux principaux modes de rupture. Les effets induits par la fréquence élevée de sollicitation, auto-échauffement induit et vitesse de chargement élevée, ont été pris en compte dans la mise au point et le traitement de ces essais. Ensuite, des outils numériques ont été développés pour permettre la simulation d’une structure délaminée sous chargement vibratoire et l’étude de la propagation du délaminage. A l’aide des approches expérimentales et numériques mises en place et des données matériau identifiées, l’analyse a pu être conduite sur un cas réel de structure aéronautique. Un essai de fatigue vibratoire sur une structure de reprise de plis a ainsi été réalisé. L’évolution du délaminage pendant l’essai est représenté de façon satisfaisante par le modèle numérique. / Because of their lightness, stress adaptive design and strong stiffness, composite materials are more and more used in aeronautics. Aeronautical structures are submitted to vibrations during their service life due to aerodynamic turbulent flow around the structure. The current static design of composite aircraft covers fatigue loading cases. But with the need to more and more lighten the structure, and the knowledge increase in material behavior, the static reserve factors will be reduced in the near future and sonic fatigue will become a major issue. It will be necessary to evaluate the possibility of a delamination propagation in a composite structure due to a manufacturing error or to an impact. In this context, a method has been proposed to study the propagation of a delamination under vibratory loading. Firstly, tests to characterize the propagation of delamination under vibration loading have been developed and validated for the two main failure modes. The effects induced by the highfrequency loading, self-heat generation and high speed loading, were considered in the elaboration of these tests and in the data reduction. Then, numerical tools have been developed to allow the simulation of a delaminated structure under vibratory loading in order to study the delamination propagation. Using experimental and numerical approaches and the material data identified, the analysis could be conducted on a real case of aircraft structure. A vibration fatigue test on a ply-drop structure has been achieved. The evolution of delamination during the test is adequately modelized by the numerical model.

Dans le domaine aéronautique, la détection des défauts sur structures composites sefait lors des phases de maintenance. Celles-ci sont prévues de manière à détecter lesdéfauts avant que ceux-ci ne deviennent critiques pour la tenue des structures en service.L’optimisation des intervalles de maintenance représente donc un fort intérêt que ce soitau niveau financier ou opérationnel. Les dommages des structures composites sont aujourd’hui traités par la non-propagationdes défauts : lorsque ceux-ci apparaissent et qu’ils sont détectés, les pièces sont immédiatementréparées ou remplacées. Afin d’améliorer ces intervalles de maintenance, lecomportement des défauts soumis aux spectres de charges aéronautique nécessite d’êtrecaractérisé. Cela permettrait une transition vers une philosophie de tolérance aux dommages,en définissant des phases de propagation non-critique pour la tenue mécanique desstructures. Dans ce contexte, la propagation de délaminage est étudiée sous chargement de fatigue.En mode I de propagation, les effets de la fréquence de sollicitation et du rapport de chargesur la propagation de délaminage en fatigue sont déterminés. Ceux-ci amorcent l’étudede la propagation de délaminage sous spectre de charges à niveau variable. Les effets del’historique de chargement sont mis en évidence. En mode II de propagation, les effets de la fréquence de sollicitation sur la propagationde délaminage sont abordés pour quatre matériaux à l’aide d’un montage d’essaisvibratoires dédié. Une analyse thermique des essais est également conduite. De plus, leseffets du rapport de charge sont déterminés pour ce mode de propagation. / The detection of damage in composite aeronautical structures is carried out duringmaintenance phases. These operations are planned so that damage is detected beforereaching any critical size for the in-service structures. The optimization of maintenanceintervals is therefore of great interest both financially and operationally. Damage in composites structures is currently dealt through the no-growth approach :when damage appears and is detected, the affected parts are immediately repaired orreplaced. In order to improve the maintenance schedule, the behaviour of defects subjectedto aeronautical load spectra needs to be characterized. This would enable a transitiontowards a damage tolerance philosophy with a slow-growth approach by defining noncriticalpropagation phases for the mechanical strength of structures. In this context, delamination propagation under fatigue loading is studied. The effectsof loading frequency and load ratio on fatigue delamination propagation are determinedin mode I. Then a study of delamination propagation under complex load spectra isconducted for blocks at different loading amplitudes. Effects of the loading history arehighlighted. For the propagation in mode II, loading frequency effects on delamination propagationare investigated for four different composite materials using a dedicated vibration testingdevice. A thermal analysis is also conducted during high frequency tests. In addition, loadratio effects are determined for this propagation mode.

Le perçage par laser est le procédé majoritairement utilisé pour la fabrication des trous de refroidissement des chambres à combustion des moteurs d'avion. La maîtrise de ce procédé, afin de limiter les écarts de géométrie des trous ainsi que les défauts microstructuraux induits, est une problématique qui a un fort enjeu industriel.L'interaction entre un faisceau laser et une matière métallique absorbante dans les régimes de perçage laser implique des phénomènes thermiques et hydrodynamiques dont le rôle sur le perçage n'est pas encore complétement expliqué. Ces travaux de thèse apportent des éléments de réponse par une approche de simulation numérique.Une investigation expérimentale couvrant une large gamme de paramètres opératoires a permis de quantifier la vitesse d'éjection liquide, la pression de recul et la température de surface en cours de procédé et d'analyser l'influence de la puissance crête du faisceau laser et de propriétés physiques matériau sur le perçage. Plusieurs méthodes expérimentales originales d'observations in situ et post-procédé ont été mises en œuvre dans cette investigation.Le modèle physique du perçage laser qui a été retenu pour la simulation intègre les changements de phase solide/liquide et liquide/vapeur, la mobilité des interfaces, l'éjection de la phase liquide et les échanges de chaleur par conduction et convection. Il est résolu en 2D axisymétrique via un code de calcul développé entièrement durant la thèse. Ce développement se base sur une méthode numérique récente, appelée méthode des éléments naturels contraints (CNEM en anglais), qui permet une description lagrangienne des interfaces mobiles et de l'écoulement du liquide. Cette description facilite l'application des conditions aux frontières. Les paramètres et données d'entrée du modèle sont tous issus de la littérature et/ou de mesures expérimentales.Les simulations réalisées ont permis de prédire la plupart des mesures sans aucun ajustement de paramètres. Les écarts observés ont donné des informations inédites sur la contribution de la répartition spatiale du faisceau laser et de la phase vapeur sur la géométrie des trous. L'étude des cycles thermiques a permis de mieux comprendre les transformations métallurgiques induites au cours du perçage laser. / The laser drilling process is the main process used in machining procedures on aeronautic engines, especially in the cooling parts of the engine. The industrial stake is to reduce geometrical deviations of the holes and defects during production.The interaction between a laser beam and an absorbent metallic matter in the laser drilling regime involve thermal and hydrodynamical phenomenon. Their role on the drilling is not yet completely understood. This thesis work is attached to give some responses to these questions with a simulation approach.An experimental investigation was first set up in order to estimate the velocity of the liquid, the vapor pressure and the temperature of the surface and to characterize the influence of the laser power and some material properties on the drilling.The physical model of the laser drilling used for simulations include solid/liquid and liquid/vapor phase transformations, the liquid ejection and the convective and conductive thermal exchanges. It is solved using a homemade calculation code and 2D axisymmetric formulation, developed during the thesis. The development is based on a recent numerical method called CNEM (Constrained Natural Element Method). This method allows us to use a lagrangian representation of the moving boundaries and the liquid flow and so facilitates the application of the boundary conditions. The model parameters were taken from literature or from measures.Simulations results predicted most of measurements without identifying any parameters. The deviations between experiments and simulations gave new discussions on the influence of the laser beam space repartition and on the contribution of the metallic vapor phase on the hole geometry. The thermal cycles were studied clarifying the metallurgical transformations induced by laser drilling.

Les composites à matrice organique et renforcés par des préformes textiles (CMORT) sont en passe d’être déployés sur les véhicules de grandes séries pour réduire leur poids. Lorsqu’ils sont soumis à des impacts basse vitesse ces matériaux présentent des comportements complexes qui doivent être précisément modélisés et prédis au moyen de simulations par éléments finis. Dans ce but, un modèle matériau a été développé et implémenté dans un code éléments finis commercial. Soumis à un impact basse vitesse, un CMORT présente quatre mécanismes physiques majeurs qui altèrent la rigidité initiale du matériau : fissuration matricielle intralaminaire, rupture des fibres, délaminage et sensibilité à la vitesse de déformation. L’endommagement matriciel est modélisé grâce à un modèle constitutif reposant sur la mécanique de l’endommagement des milieux continus. Basé sur l’Onera Damage Model, il prend en compte les mécanismes de friction aux abords des fissures. La sensibilité à la vitesse de déformation est introduite au moyen d’un modèle de Maxwell généralisé. Ensuite, un critère de rupture est utilisé pour prédire l’initiation de la rupture des fibres et l’endommagement des fibres qui en découle est régularisé par l’utilisation d’un modèle de rupture progressive. Finalement, afin de prédire précisément le comportement hors-plan d’un stratifié, le calcul d’une distribution de déformation réaliste à travers l’épaisseur est réalisé au niveau du modèle matériau. Cette modélisation est capable de prendre en compte les effets du délaminage en utilisant seulement un élément coque. De plus, l’intégralité du modèle est formulé suivant la description Lagrangienne totale afin d’assurer l’objectivité et la cohérence matérielle durant la simulation. La procédure d’identification, ainsi que les tests de validation et les corrélations essais/simulations sont décrits pour chaque mécanisme physique. Enfin, le modèle est évalué au travers de la prédiction du comportement d’une structure automobile industrielle. / Carbon Fabric Reinforced Polymers (CFRP) will soon used in high volume automotive production in order to reduce the vehicle weight. For safety and design reasons, their complex behaviours under low-speed impacts, such as pedestrian impacts, need to be accurately modelled and predicted by finite element simulations. For this purpose, a material model dedicated to explicit finite element simulations has been developed and implemented in a commercial finite element code. Subject to low-speed impacts, the CFRP shows four different physical mechanisms which alter the initial stiffness of the material: intralaminar matrix cracks, fibre failure, delamination and strain-rate sensitivity. The intralaminar damage is modelled through constitutive equations based on the continuum damage theory. It is based on the Onera Damage Model, but with the consideration of friction mechanisms between crack lips in order to represent the hysteresis loops in case of cyclic loading. The strain-rate sensitivity is introduced by means of the rheological generalised Maxwell viscoelastic model. Regarding the fibre damage, a failure criterion based on the strain of the fibre direction is introduced. The energy release due to the fibre failure is also regularised thanks to a smeared crack approach. Finally, in order to welldescribed the out-of-plane behaviour, such as bending, of a laminated CFRP material, a recomputation of a realistic strain field through-the thickness of the laminate is introduced at level of the material model. Based on strain energy equilibrium between usual shell element theory and higher-order zigzag theory, this formulation is able to consider delamination at ply interfaces by using only one shell element through-the-thickness of a laminate. In addition, the model is placed in a total Lagrangian framework to ensure both objectivity and material coherence. The identification procedure, with the needed experimental tests, as well as validation tests and experimental/numerical correlations are given for all physical mechanisms previously described. Finally, this model is evaluated through the behaviour prediction of an industrial structure.

Les délaminations sous-surfaciques représentent une menace significative pour l'intégrité structurelle des composants en béton et nécessitent des méthodes de tests non destructives (NDT) efficaces et fiables pour une détection rapide. Cette étude examine l'intégration de la thermographie infrarouge active (IRT) et du radar à pénétration de sol (GPR) pour la détection et l'évaluation de la délamination dans les dalles de béton. Deux spécimens de laboratoire, construits en béton armé et intentionnellement conçus pour simuler une délamination interne, sont soumis à des tests à l'aide de méthodes IRT et GPR. La méthodologie implique l'utilisation d'une approche de thermographie infrarouge par chauffage par étapes, qui nécessite la capture d'images thermographiques brutes tout au long des phases de chauffage et de refroidissement. Ce processus documente les variations thermiques et aide à identifier les modèles de dommages sous-surfaciques. Simultanément, le radar à pénétration de sol (GPR) est intégré dans le processus d'évaluation pour mesurer l'étendue et la gravité de la délamination à l'intérieur des spécimens. Le GPR fournit des informations détaillées sur l'intérieur des spécimens en utilisant des ondes électromagnétiques haute fréquence. Il mesure le temps que mettent les impulsions radar pour traverser les matériaux et refléter à la surface. Ces données, associées aux résultats thermographiques, offrent une compréhension complète des conditions internes des dalles de béton. La conception expérimentale implique deux spécimens de béton identiques en taille mais avec et sans armature pour explorer l'impact des barres d'armature sur les capacités de détection des méthodes IRT et GPR. L'étude inclut des défauts de différentes tailles et profondeurs, permettant une évaluation complète des performances des méthodes dans différentes conditions. La méthode de thermographie active, caractérisée par un rapport taille-profondeur de 0.83, montre une capacité remarquable à détecter presque tous les défauts. Les données thermographiques, acquises pendant le processus de refroidissement, fournissent des informations primordiales sur les signatures thermiques des delaminations. Le GPR se révèle très efficace pour identifier toutes les anomalies sous-surfaciques, même les plus profondes et les plus petites. L'étude souligne les forces complémentaires de l'IRT et du GPR, où l'IRT offre une couverture plus large et le GPR fournit des informations précises sur la profondeur. Les résultats de cette étude fournissent une base solide pour les développements futurs dans la surveillance de la santé structurelle et la maintenance des structures en béton. / Subsurface delaminations pose a significant threat to the structural integrity of concrete components and they require effective and reliable non-destructive testing (NDT) methods for early detection. This study investigates the integration of Active Infrared Thermography (IRT) and Ground Penetrating Radar (GPR) for the detection and evaluation of delamination in concrete slabs. Two laboratory specimens, built from reinforced concrete and intentionally designed to simulate internal delamination, are subjected to testing using IRT and GPR methods. The methodology involves employing a step-heating Infrared Thermography (IRT) approach, which requires capturing raw thermographic images throughout both the heating and cooling phases. This process documents thermal variations and helps identify subsurface damage patterns. Simultaneously, Ground Penetrating Radar (GPR) is integrated into the assessment process to measure the extent and severity of delamination within the specimens. GPR provides detailed subsurface information using high-frequency electromagnetic waves. It measures the time that radar pulses take to travel through materials and reflect back to the surface. This data along with the thermographic findings, offer a comprehensive understanding of the internal conditions of the concrete slabs. The experimental design involves two concrete specimens that are identical in size but with and without reinforcement to explore the impact of rebars on the detection capabilities of the IRT and GPR methods. The study includes defects of different sizes and depths, enabling a comprehensive evaluation of the methods' performance under different conditions. The active thermography method, characterized by a size-to-depth ratio of 0.83, shows a remarkable ability to detect nearly all defects. The thermographic data, acquired during the cooling process, provides valuable insights into the thermal signatures of the defects. The GPR proves highly efficient in identifying all subsurface anomalies, even the deepest and smallest. The study emphasizes the complementary strengths of IRT and GPR, where IRT provides broader coverage, and GPR offers precise depth information. The findings of this study provide a solid foundation for future developments in structural health monitoring and maintenance of concrete structures.

Cette recherche explore l'utilisation de la thermographie infrarouge passive (IRT) pour la détection du délaminage dans les infrastructures civiles et l'intégration des données obtenues à partir de l'inspection visuelle et de l'IRT avec des technologies informatiques avancées pour faciliter la détection, l'interprétation et l'évaluation des dommages et augmenter la visualisation, l'accessibilité, l'interopérabilité et la réutilisabilité des résultats de l'inspection. La motivation de cette recherche découle des incertitudes actuelles entourant l'inspection des grandes infrastructures à l'aide de l'IRT passive. Les chercheurs, les entreprises d'inspection et les décideurs exécutifs sur le marché de la durabilité et de la gestion du cycle de vie des infrastructures sont confrontés à des incertitudes théoriques et pratiques dans l'élaboration d'une stratégie globale pour inspecter plusieurs composants des grandes infrastructures en béton, ainsi que dans la gestion des données qui en résultent. Il existe un désir de mieux comprendre l'utilisation de techniques avancées de contrôle non destructif (CND) et d'outils informatiques et d'explorer les avantages de la collaboration entre les industries pour la gestion du cycle de vie des structures civiles. Dans ce contexte, le problème de recherche implique la nécessité d'approches innovantes et normalisées pour améliorer la planification, la collecte, l'analyse, la numérisation et l'interopérabilité des données d'inspection par IRT passive pour les infrastructures civiles. L'objectif principal de la recherche était d'explorer l'utilisation de l'IRT passive comme méthode de détection des délaminages dans divers composants en béton des infrastructures civiles, en tenant compte des différents scénarios d'exposition solaire. De plus, l'étude visait à intégrer les données provenant des inspections par IRT passive avec des technologies informatiques avancées telles que la modélisation par éléments finis (MEF), l'IA et la modélisation des informations du bâtiment (BIM), pour améliorer la planification, le diagnostic, la visualisation, l'interprétation et l'interopérabilité des données d'inspection. Les objectifs spécifiques comprenaient l'évaluation de la faisabilité, de la sensibilité et des exigences minimales pour utiliser l'IRT passive pour détecter les délaminages, l'élaboration d'une procédure de planification d'enquête, l'amélioration des techniques de contraste thermique, l'utilisation de l'IA pour détecter semi-automatiquement les délaminages, et l'intégration des résultats de l'IRT avec BIM. La méthodologie impliquait des domaines de recherche interdisciplinaires et complexes, comprenant l'inspection du béton, la thermographie infrarouge, la simulation numérique, le traitement d'images, la photogrammétrie, l'intelligence artificielle, et la modélisation des informations du bâtiment. En outre, l'étude englobait la révision des normes existantes et des rapports de recherche, la construction d'échantillons de béton représentatifs pour preuve de concept et la validation de l'étude numérique, et plusieurs études de cas comprenant l'acquisition de données sur le terrain avec plusieurs dispositifs (drones, voitures et caméras portatives munies de capteurs visibles et infrarouges). Les campagnes de collecte de données ont commencé en avril 2021 et se sont terminées en juillet 2023, étant menées sur des sites expérimentaux et publics afin d'informer et de soutenir le projet de recherche. Les résultats du travail comprenaient : (i) une évaluation approfondie de l'efficacité de l'IRT pour inspecter les infrastructures en béton, y compris une preuve de concept détaillée et un protocole recommandé pour la collecte de données, (ii) la création d'un modèle numérique non linéaire vérifié et validé pour simuler des inspections par IRT passive, qui peut être utilisé pour déterminer les exigences minimales pour inspecter les délaminages dans les structures en béton extérieures en utilisant l'IRT passive, (iii) le développement d'approches et d'outils de détection de dommages multimodaux semi-automatisés adaptés au traitement de grands ensembles de données générés à partir d'inspections effectuées dans et au-delà du spectre visible, et (iv) le développement d'un modèle d'information numérique et collaboratif contenant des données d'inspection complètes et bien structurées, présentées dans un format standard et ouvert pouvant être partagé avec d'autres inspecteurs, ingénieurs, gestionnaires, chercheurs et utilisateurs à diverses fins. En améliorant la compréhension de l'utilisation potentielle de tests non destructifs avancés, c'est-à-dire l'IRT passive, aux côtés de technologies informatiques et d'information, ce projet fait progresser les pratiques de maintenance des infrastructures. Non seulement ces conclusions peuvent optimiser la durabilité des infrastructures, mais elles peuvent également faciliter l'évolution des pratiques traditionnelles de CND pour répondre aux exigences de l'Industrie 4.0, notamment la durabilité, la numérisation, l'interopérabilité et la transparence de l'information. / This research work explores the use of passive infrared thermography (IRT) for the detection of delamination in civil infrastructures. It aims to facilitate the detection, interpretation, and evaluation of damages and integrate the data obtained from visual and IRT inspection with advanced computational technologies to increase visualization, accessibility, interoperability, and reusability of the inspection results. The motivation for this research arises from the current uncertainties surrounding the inspection of large infrastructures using passive IRT. Researchers, inspection companies, and stakeholders in the infrastructure durability and life cycle management sector are faced with both theoretical and practical uncertainties in developing a comprehensive strategy for inspecting multiple components of large concrete infrastructures using passive IRT, as well as managing the resulting inspection data. There is a demand to better understand the use of advanced non-destructive testing (NDT) techniques and computational tools and explore the benefits of collaboration between industries for the life-cycle management of civil structures. In this context, the research problem entails the need for innovative and standardized approaches to enhance the planning, collection, analysis, digitalization, and interoperability of passive IRT inspection data for civil infrastructures. The main objective of the research was to explore the utilization of passive IRT as a method of detecting delamination in various concrete components of civil infrastructures, while accounting for different scenarios of solar exposure. Additionally, the study aimed to integrate data from passive IRT inspections with advanced computational technologies such as numerical simulation, artificial intelligence (AI), and Building Information Modeling (BIM), to improve planning, diagnosis, visualization, interpretation, and interoperability for inspection data. Specific objectives included assessing the feasibility, sensibility, and minimum requirements for utilizing passive IRT to detect delamination, devising a survey planning procedure, enhancing thermal contrast techniques, leveraging AI for semi-automated delamination detection, and integrating IRT planning and results with BIM. The methodology involved interdisciplinary and complex research domains, including concrete inspection, infrared thermography, numerical simulation, image processing, photogrammetry, artificial intelligence, and information modeling. Moreover, the study encompassed the review of existing standards and research works, the construction of concrete samples for proof of concept and validation of numerical studies, and the conduction of multiple case studies involving field data acquisition using various devices such as drones, vehicles, and handheld cameras equipped with visible and infrared sensors. The data collection campaigns started in April 2021 and were concluded in July 2023, being conducted at experimental and public sites to inform and support the research project. The findings of the work included: (i) a thorough evaluation of the capabilities of IRT for inspecting concrete infrastructure, including a detailed proof of concept and a recommended protocol for data collection, (ii) the creation of a verified and validated non-linear numerical model for simulating passive IRT inspections, which can be used to determine the minimum requirements for inspecting delamination in outdoor concrete structures using passive IRT, (iii) the development of semi-automated multimodal damage detection approaches and tools suitable for processing large datasets generated from passive IRT inspections of delamination in concrete structure, and (iv) the development of a digital and collaborative information model that contains comprehensive and well-structured inspection data, presented in a standard and open format that can be shared with other inspectors, engineers, managers, researchers, and users for various purposes. By enhancing the understanding of the potential use of advanced non-destructive testing, i.e., passive IRT, alongside computational and information technology, this project advances infrastructure maintenance practices. Not only can its findings optimize infrastructure durability, but they can also facilitate the evolution of traditional NDT practices to meet the demands of Industry 4.0, including sustainability, digitalization, interoperability, and information transparency.

Le but de ce travail est la caractérisation du comportement au délaminage des composites stratifiés en mode mixte I+II+III, en se focalisant en particulier sur le verrou scientifique que représente le mode III pur. Cette thèse repose sur un travail à la fois expérimental et numérique, validant numériquement les tests existants et ceux développés. La mise en perspective des résultats obtenus a permis, d'un coté, de mieux appréhender l'importance de la distribution des taux de restitution d'énergie, GI, GII et GIII, le long du front de fissure sur le la détermination de la ténacité du composite et d'un autre coté, de proposer et d'améliorer les méthodes de caractérisation. Avant d'évoquer le délaminage en mode mixte, nos efforts se sont d'abord concentrés sur la caractérisation du délaminage en mode III pur. Deux essais de type " Edge Crack Torsion " (ECT) disponibles dans la littérature ont été réalisés. La distribution de GIII le long du front de fissure a été déterminée par la méthode des éléments finis (MEF) en utilisant la technique de fermeture virtuelle de fissure (VCCT). La capacité de ces tests est compromise par : 1. La participation du mode II non nul ; 2. La forte variation de GIII près des bords de l'éprouvette. Ces problèmes rendent la détermination de la ténacité en mode III pur, GIIIC, difficile et imprécise. Par la suite, un nouveau test a été proposé, nommé "Edge Ring Crack Torsion" test (ERCT ou ERT-III). Il s'appuie sur une éprouvette possédant une fissure de front circulaire, l'absence d'extrémités sur le front de fissure permet de supprimer les effets de bords. Après l'optimisation et la modification de la géométrie du dispositif dans le test ERCT original, GIII le long du front de fissure reste presque constant avec très peu de modes parasites. La formule proposée par Tada est appliquée pour déterminer GIIIC. Il est démontré qu'en général, si la variation de GIII est faible le long du front de fissure, la ténacité déterminée par une solution " closed-form " concorde bien avec celle obtenue numériquement. En fait, la répartition de GIII peut être influencée par divers facteurs, tels que la nature des stratifiés, la géométrie du dispositif expérimental et la géométrie des éprouvettes. L'interaction de ces facteurs a été aussi abordée dans cette étude. En outre, une étude numérique de sensibilité aux défauts a permis de vérifier la robustesse de l'essai proposé vis-à-vis de différents défauts qui sont inhérent à tout travail expérimental. Enfin, une géométrie d'éprouvette optimisée est donnée avec une méthodologie permettant de réduire les fluctuations de GIII. L'utilisation de l'éprouvette ERC a été généralisée à la caractérisation du délaminage pour deux autres modes purs : l'essai de traction permet de solliciter ERC en mode I pur et celui de flexion sollicite ERC en mode II pur, nommé ERCTE ou ERC-I et ERCF ou ERC-II, respectivement. Les avantages du test ERCT sont bien conservés. La réalisation des essais ERC-I, ERC-II et ERC-III permet de mesurer la ténacité de chacun des trois modes purs sur des éprouvettes ayant la même géométrie. Finalement, nous avons étudié numériquement la faisabilité de réaliser les essais de délaminage en mode mixte I + II, I + III et I + II + III sur les éprouvettes ERC. Il s'avère que le rapport modal en mode mixte peut être obtenu dans une large gamme en faisant varier la géométrie de l'éprouvette et en combinant les modes de chargement. Aucun mode indésirable n'est présent lors des essais en mode mixte I+II ou en mode mixte I+III. Cependant la distribution de GI, GII et GIII ne sont pas complètement uniforme, mais sa variation reste assez petite. En conclusion, les tests ERC proposés dans cette étude sont prometteurs pour la caractérisation du comportement au délaminage en mode mixte des composites. Il serait possible, dans un avenir proche, de proposer un critère de délaminage en mode mixte I+II+III basé sur une étude utilisant des essais sur éprouvettes ERC. / The aim of this research work is to characterize the delamination behavior of laminate composite materials under the three pure modes and mixed modes, focusing especially on the complex issue of mode III. Both experimental and numerical works were performed, validating the existing and new testing methods. Correlation between the results obtained aims, on the one hand to better understand the distribution of strain energy release rates (GI, GII, GIII) along the crack front; on the other hand, to propose and improve testing methods, and to propose and validate simple approaches for determination of delamination toughness. Pure mode III testing methods are studied. Firstly, two kinds of Edge Crack Torsion tests were carried out, the distribution of GIII along the crack front were determined by finite element analysis (FEA) using virtual crack closure technique (VCCT). The performances of these tests are compromised by the drawbacks: (1) A participation of mode II component cannot be completely eliminated; (2) The distribution of GIII along the crack front is not uniform especially near the sides. After a study of existing tests, a novel mode III testing method was proposed, named Edge Ring Crack Torsion test (ERCT or ERC-III later). In the ERC specimen, the total absence of sides in the circular crack front leads to no edge effects. As a result, pure mode III delamination is achieved and the distribution of GIII along the crack front is quite uniform. In fact, the values of GIII along the crack front are nearly constant after optimizing and modifying the geometry of device in the original ERCT test. A closed-form solution proposed by Tada is applied to determine mode III delamination toughness. In ERCT test, the results calculated by Tada formula agree well with the ones calculated by VCCT when the distribution of GIII is relatively uniform. Actually, a numerical study shows that the distribution of GIII can be affected by different factors related to the nature of laminates tested, the geometry of test device and the geometry of the specimens. The interactive effect of above factors was also discussed in this study. In order to understand the influence of potential defaults on the performance of ERCT test, sensitivity study has been performed on the relative position of the crack front, the circularity of the crack front and the specimen shape. Optimum specimen's relative pre-crack geometry is given and a method for reducing the variation is provided. Then the application of ERC specimen was generalized to other pure delamination modes characterization. Pure mode I can be realized if ERC specimens are loaded in tension, named ERCTE or ERC-I, so can pure mode II if ERC specimens are loaded in flexion, named ERCF or ERC-II. The distribution of the strain energy release rates was also evaluated by FEA using VCCT. These tests keep most advantages of ERC-III test. Pure mode I and pure mode II delamination are achieved respectively and the distribution of GI or GII along the crack front is quite uniform. The realization of ERC-I, ERC-II and ERC-III allows to measure the toughness of each of three pure modes without any interference from geometry of specimens. Finally, we have studied numerically the feasibility to realize the delamination tests in mixed mode I+II, I+III and I+II+III by using ERC specimen. Firstly, the mixed mode ratio can be obtained in a large range by varying the geometry of the specimen and by combining loading modes. Secondly, no unwanted mode is presented for mixed mode I+II and mixed mode I+III; Thirdly, the distribution of strain energy release rates are not completely uniform but its variation is small enough to be accepted. In conclusion, ERC tests are promising testing methods for characterization of mixed mode delamination behavior. It will be possible to propose a mixed mode I+II+III delamination criterion based on the investigation by ERC tests in a close future.

Les barrières thermiques sont destinées à protéger les aubes de turbine du moteur SNECMA-M88. Une sous-couche antioxydante (NiAl-Pt) lie le substrat à une couche de céramique (ZrO2-7% Y2O3 EBPVD).<br>La rhéologie de NiAl-Pt a été étudiée dans les domaines fragile et viscoplastique et un critère de fissuration en fatigue a été établi et appliqué à la fatigue thermique.<br>L'étude de la barrière thermique complète s'intéresse à sa résistance interfaciale après une préoxydation à 1100°C, à sa tenue en fatigue oligocyclique isotherme à 1100°C et en fatigue anisotherme entre 100°C et 1100°C. Une préoxydation à 1100°C d'éprouvettes adaptées, suivie d'une traction monotone à température ambiante, induisent un délaminage cohésif à l'interface sous-couche/alumine, qui est affecté par une cavitation. L'écaillage des deux oxydes (alumine et zircone) peut ensuire survenir. Le délaminage est aussi étudié localement par des essais d'indentation interfaciale. La fatigue oligocyclique isotherme à 1100°C, conduites avec différents types de chargement, montrent une fissuration transverse de la sous-couche. Le délaminage qui affecte parfois l'interface alumine/sous-couche est lié à la cavitation. La sollicitation anisotherme produit une multifissuration au début de l'essai et une cavitation incluse dans l'alumine. Il en résulte un délaminage adhésif localisé près de l'interface alumine/zircone.<br>L'état de contrainte d'origines thermique, mécanique et résultant de la croissance de l'alumine, ainsi que les distributions d'épaisseurs d'alumine et de tailles de cavités interfaciales ont été quantifiées. Ces deux derniers paramètres ont été corrélés à la courbure du substrat en conditions isothermes. Une modélisation donne une estimation de l'énergie de rupture interfaciale. En conditions anisothermes, la cinétique d'oxydation ne peut plus être relié à la seule courbure du substrat. Un modèle basé sur des réinitialisations de la cinétique isotherme décrit bien l'expérience.

L'analyse des phénomènes locaux comme les effets de bord libre et le délaminage dans les structures multicouches nécessite des théories fines qui donnent une bonne description de la réponse locale. Étant donné que les approches tridimensionnelles sont, en général, très coûteuses en temps de calcul et en mémoire, des approches bidimensionnelles de type layerwise sont souvent utilisées. Dans ce travail de doctorat, un modèle layerwise en contrainte, appelé LS1, est appliqué au problème du multi-délaminage dans les plaques stratifiées invariantes dans le sens longitudinal. L'invariance dans la direction de la longueur nous permet d'aborder le problème analytiquement. Dans un premier temps, nous proposons une méthode analytique pour l'analyse des plaques multicouches multi-délaminées soumises à la traction uniaxiale. La singularité des contraintes interlaminaires aux bords libres et l'initiation du délaminage en mode III sont étudiées. Un modèle raffiné, nommé LS1 raffiné, est proposé pour améliorer les approximations dans les zones de singularités telles que les bords libres et les pointes de fissure. Les résultats du modèle raffiné sont validés en les comparant avec ceux obtenus par éléments finis tridimensionnels. Dans un deuxième temps, l'approche analytique proposée est étendue à la flexion cylindrique des plaques multicouches. La propagation du délaminage en modes I et II est étudiée et les approximations du modèle LS1 sont validées. À la fin, nous généralisons la méthode analytique proposée afin de prendre en considération tous les chargements invariants dans le sens longitudinal. L'approche finale permet d'analyser les plaques multicouches rectangulaires soumises à des charges invariantes sur les faces supérieure et inférieure, les forces ou les déplacements imposés sur les bords latéraux ainsi que quatre types de chargement sur les extrémités longitudinales: traction uniaxiale, flexion hors plan, torsion et flexion dans le plan. La solution analytique du modèle LS1 est obtenue pour une plaque stratifiée soumise à tous les chargements mentionnés ci-dessus. L'approche est validée en comparant avec la méthode des éléments finis tridimensionnels pour plusieurs types de chargement / The analysis of local phenomena such as free-edge effects and delamination in multilayered structures requires the accurate theories which can provide a good description of the local response. Since the three-dimensional approaches are generally very expensive in computational time and memory, the layerwise two-dimensional approaches are widely used. In this Ph.D. thesis, a stress layerwise model, called LS1, is applied to the multi-delamination problem in longitudinally invariant multilayered plates. The invariance in the longitudinal direction allows us to solve the problem analytically. At first, we propose an analytical method for the analysis of multi-delaminated multilayered plates subjected to the uniaxial traction. The free-edge interlaminaire stress singularities and the mode III delamination onset are investigated. A refined model, called Refined LS1, is proposed in order to improve the approximations in singularity zones such as free edges and crack tips. The results of the refined model are validated by comparing them with those obtained by a three-dimensional finite element model. Afterwards, the proposed analytical approach is extended to the cylindrical bending of the multilayered plates. The propagation of delamination in modes I and II is studied and the approximations of the LS1 model are validated. At last, we generalize the proposed analytical method to take into account all invariant loads in the longitudinal direction. The final approach allows us to analyze the rectangular multilayered plates subjected to invariant loads on the top and bottom surfaces, imposed displacements or forces at the lateral edges, and also four types of loading at the longitudinal ends: uniaxial traction, out-of-plane bending, torsion and in-plane bending. The analytical solution of the LS1 model is obtained for a laminated plate subjected to all the loads mentioned above. The approach is validated by comparison with the three-dimensional finite element method for various types of loading