Le contrôle non destructif (CND) par Courants de Foucault (CF) de défauts de fissuration est l’une des techniques les plus répandues dans de nombreux secteurs industriels. L’utilisation d’outils de modélisation adaptés permet d’améliorer les procédés de contrôle et la compréhension des données expérimentales observées. Ce travail de thèse, réalisé au CEA LIST et sous la direction de D. Lesselier (Laboratoire des Signaux et Systèmes), a pour objectif de proposer une approche de modélisation semi-analytique dédiée à la simulation du CND CF de défauts fins ou très fins dans une pièce plane conductrice composée de plusieurs couches. Il a fait l’objet d’une collaboration, dans le cadre du projet CIVAMONT, avec l’équipe Meander de l’University of Western Macedonia (Grèce), dirigée par le professeur T. Theodoulidis.Du point de vue de la simulation, la complexité du problème à traiter est liée aux particularités des défauts de fissuration : une ouverture très fine, un profil complexe et la possibilité d’avoir des ponts de conductivité entre les deux faces latérales du défaut. Ces caractéristiques expliquent la difficulté qu’ont les méthodes de simulation classiques, semi-analytiques ou purement numériques, à traiter efficacement ce type de configuration. Pour ces raisons, une approche dédiée aux défauts fins, fondée sur la méthode des éléments de frontière, a été développée. Elle présente l’avantage majeur de ne requérir qu’une discrétisation surfacique du défaut, en traitant analytiquement le calcul dans la direction de son ouverture. Après la résolution, avec la Méthode des Moments, de l’équation intégrale décrivant les interactions entre le champ d’excitation et le défaut, la réponse de la sonde est calculée en appliquant le théorème de réciprocité. Les développements théoriques réalisés dans cette thèse ont abouti à la mise en place d’une formulation générale permettant la prise en compte d’un nombre quelconque de défauts fins, d’orientations et des géométries différentes, pouvant être situés dans des couches différentes de la pièce. Par la suite, cette méthode innovante a été implémentée au sein de la plateforme de simulation CIVA, développée au CEA LIST, et a été validée expérimentalement à plusieurs reprises. Une extension de cette méthode a également permis la mise en place d’une approche la couplant à une modélisation volumique standard pour la simulation de configurations complexes comme le contrôle de fissures au voisinage d’un alésage. Ce travail, qui a fait l’objet d’une diffusion internationale affirmée, a permis de lever avec succès un certain nombre de difficultés théoriques et pratiques liées à la modélisation du CND CF de défauts fins. / Non Destructive Testing (NDT) with Eddy Current (EC) techniques are is widely employed in several industrial sectors for cracks detection. Numerical simulation tools are largely used in order to design sensors, understand the signals collected during the measurements process and to provide a support in expertise. This work has been accomplished inside CEA LIST in collaboration with L2S-Supélec. It is also a part of the CIVAMONT 2012 project, with the active participation of MEANDER laboratory members from University of Western Macedonia (Greece) and Technological Educational Institute of Western Macedonia (Greece). The main goal of our work has consisted in to developing a semi-analytical modeling approach, devoted to Eddy Current Testing (ECT) of multiple narrow cracks in planar multilayered structures. From the numerical point of view, simulation of multiple narrow cracks problems is a difficult task for classical methods, like for example the Volume Integral Method (VIM) or the Finite Element Method (FEM). The main issues reside in geometrical characteristics of narrow crack themselves. Indeed, a narrow crack presents a small opening as well as complex profile and a complex shape, with possible electrical contacts inside it. All these features increase enormously, with classical methods, the difficulty to simulate in rapid and/or precise way problems involving narrow cracks. We have tackled the narrow crack issue by developing a Boundary Element Method (BEM) dedicated to ECT signal modeling, starting from an approach presented in literature. Then, we have extended its capability to more realistic and challenging cases, such as the ECT of multilayered structures affected by complex narrow cracks. The principle of this method is to introduce additional assumptions, leading to the description of the crack perturbation as the effect of a dipole distribution, oriented toward the crack opening. Numerically speaking, such a description makes it possible to largely reduce, compared to the VIM, the number of unknowns that one needs to properly solve the problem. A particular attention has been devoted to the analytical formulation, in order to achieve generality, accuracy and efficiency. A precise derivation of the spectral-domain Dyadic Green Function (DGF) associated to our problem has first been developed. In this work, analytical expressions of the spectral-domain DGF have been obtained via the Discrete Complex Image Method (DCIM). Then, an accurate approximation of the spectral-domain DGF has been achieved via the Generalized Pencil of Function (GPOF) method. Therefore, the closed-form of the spectral-domain DGF, expressed under the form of Sommerfeld Integrals (SIs), has been calculated analytically. Finally, the integral equation(s) associate to the electromagnetic problem is solved by applying the Method of Moments (MoM).Validations with respect to experiments and commercial simulation software have been performed to test the model. A large set of configurations have been chosen in order to address realistic configurations involving multiple narrow cracks embedded in different layers of a given multilayered structure. The model proposed has shown its promising performance in terms of computational time compared with the VIM and the FEM. Moreover, a very good agreement with respect to the experimental data has always been observed. In the last and very recent part of our work, a coupled approach between BEM and VIM has been studied and developed in order to address, in a efficient way, problems where narrow cracks appear in the vicinity of with volumetric flaws (for example the simulation of fastener sites inspections). Comparisons with experimental measures have shown that the coupled approach is capable to achieve, overall, better results than the VIM and saves a lot of computational time.

Le sujet de ce mémoire porte sur l'étude du contrôle non-destructif de structure de béton renforcé par collage de CFRP (carbon fiber reinforced polymer) par shearographie et thermographie active couplées. La méthode d'excitation utilisée conjointement lors de la mise en œuvre de ces deux méthodes est un rayonnement thermique conditionné temporellement par un signal carré. L'observation du champ des températures de surface et des déplacements hors plan de la surface permet la détection et la caractérisation de défauts. Dans un premier temps, des tests de faisabilité ont été conduits pour valider si l'utilisation d’une contrainte thermique de type créneau autorisait des mesures shearographiques (cela ayant été déjà validé dans le cas de la thermographie infrarouge active). Cette série de test s’étant avérée concluante, une étude numérique par modélisation aux éléments finis a été réalisée sous Comsol®. Cette étude numérique a permis de mieux appréhender les résultats obtenus expérimentalement mais aussi de conduire une étude de l’influence de différents paramètres. Des outils d'analyses ont été développés et ont permis de mettre en évidence, entre autre, qu'une évaluation quantitative des défauts était possible.

Par la qualité et la variété de leurs propriétés mécaniques, les matériaux composites s'imposent désormais en remplacement des matériaux traditionnels. Mais nombreux sont les processus d'endommagement observés dans ces matériaux hétérogènes. Aussi, le développement de leur usage en tant qu'éléments de structure primaires reste limité par l'importance des coûts des inspections requises pour déceler l'apparition de défauts internes. Nous avons cherché à définir une méthode d'évaluation non-destructive in situ de l'état de santé des composites, afin d'offrir une meilleure sécurité opérationnelle des structures à moindre coût. Cette technique de contrôle actif s'inscrit dans la thématique des Structures et Matériaux Intelligents car elle repose sur l'intégration à la structure hôte de capteurs, pour la génération et la mesure de perturbations ultrasonores, et de systèmes de traitement de donnée associés. Vecteurs privilégiés de l'information dans les plaques minces, les ondes de Lamb ont vu dans ce travail leur concept se généraliser au cas des matériaux anisotropes stratifiés. La propagation et les caractéristiques de ces modes dispersifs ont été étudiées en relation avec les propriétés microstructurales et la conformation de divers milieux stratifiés. En particulier, nous avons étudié l'influence de la séquence d'empilement des plis sur les courbes de dispersion des ondes de Lamb. La réalisation de plaques instrumentées a permis la détection expérimentale de défauts artificiels ou plus réalistes grâce à la définition de paramètres d'endommagement, basés sur l'analyse en temps réel des signatures ultrasonores transmises à l'intérieur de la structure. L'emplacement des défauts a été estimé par des mesures échographiques en ondes de Lamb. Enfin, nous avons tenté d'apprécier la sensibilité relative des modes de Lamb fondamentaux à l'aide de simulations numériques de l'interaction entre ces ondes guidées et différents types de défauts localisés par la méthode des éléments finis à deux dimensions.

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.

Ces travaux de thèse portent sur l'étude expérimentale approfondie d'un composite à base polyamide 66/6 renforcé par des fibres de verres tissés suivant un motif sergé 2/2. L’objectif est de proposer des solutions de Contrôle Non Destructif (CND) basées sur les ultrasons afin de détecter différents niveaux d’endommagement induis. Pour cela, une étude approfondis des mécanismes d’endommagement apparaissant lors de sollicitations en traction suivant l’axe des fibres et hors axes est réalisé. Le cas d’impact induis par poids tombant est également étudiés. En effet, ces différents cas de sollicitions entraînent l’apparition de différent mécanismes d’endommagement. Ces derniers, ainsi que leur ordre d’apparition, sont caractérisés par Microscopie Electronique à Balayage (MEB) et tomographie à rayons X principalement. L’évaluation de la réduction du module élastique pré et post chargement ainsi que la fraction volumique de vide montrent une évolution de l’endommagement plus importante lors de chargement en traction hors axes des fibres que lors de chargement suivant l’axe. Lors des essais d’impact par poids tombant différents niveaux d’énergie sont considérés en restant proche du domaine des BVID en vue d’éprouver la sensibilité des méthodes de CND. Deux méthodes de CND par ultrasons étudiées durant ce projet peuvent être mises en avant. Premièrement, par mesure de la vitesse de propagation des ondes dans plusieurs directions du composites, le tenseur de rigidité est estimé dans tous ces cas de sollicitation mécanique pour différents niveaux d’endommagement. Des indicateurs d’endommagement basés sur ces mesures montrent une évolution de l’état d’endommagement similaire à celle discutée précédemment. Deuxièmement, une étude de la détection de l’endommagement par ondes guidées est menée. Aucun changement des modes transmit n’est visible lors de l’augmentation de l’état d’endommagement. L’évolution de l’énergie du signal transmis est alors proposée et validée comme indicateur d’endommagement efficace pour des chargements en traction mais pas pour l’impact. La mesure du décalage temporel à en revanche permis une localisation et une quantification de l’endommagement induit par impact. / The present study is focused on the experimental study of a polyamide 66/6 based composite reinforced by a 2/2 twill weave glass fabric. The aim is to propose Non Destructive Evaluation (NDE) methods based on ultrasound that can efficiently distinguish different damage state. In order to do so, an investigation of the damage mechanisms induced by different type of mechanical solicitations. Tension along and off the axis of the fibers was considered as well as the case of drop weight impact. Those solicitations were shown to induce different damage mechanisms. The latter were characterized by means of Scanning Electronic Microscopy (SEM) and X-Ray tomography mostly. The decreasing of the elastic modulus and the void volume fraction evolution were shown to be more significant for the samples loaded in tension off-axis. During the drop weight impact tests, the energies were considered in order to remain close to the Barely Visible Impact Damage (BVID) regime in order to experience the capability of the ultrasound based NDE methods. Two NDE methods investigated during this study deserve to be highlighted. Firstly, the stiffness tensor was estimated by means of phase velocities measurements in different propagation direction. Damage indicators based on results from this method were proposed. They were found to give results similar with the one from the evaluation of damage discussed earlier on. Secondly, a study of the damage detection using guided waves was performed. No mode conversion effect was observed from this investigation. Consequently, the signal energy was proposed as damage indicator and was found to be suitable to detect damage induced by tension but not by impact. The measure of time shift allowed obtaining a localization and evaluation of the damage induced by impact.

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.