Recent developments show the applications of smart structure in different engineering fields. Smart structures can be used for shape and vibration control, structural health monitoring etc. Smart materials can be integrated to composite structure to enhance its abilities. Fiber reinforced composites are the advanced materials of choice in aerospace applications due to its high strength and stiffness, light weight and ability to tailor according to the design requirements. Due to complex manufacturing process and varying operating conditions, composites are susceptible to variation in material properties and damages. The present study focuses on the effect of uncertainties in material properties and damages on a smart composite structure. A cantilevered composite plate with surface mounted piezoelectric sensor/ actuator is considered in this study. The sensors and the actuators are connected through a conventional feedback controller and the controller is configured for vibration control application. Matrix cracks are considered as damage in the composite plate. To study the effect of material uncertainty, probabilistic analysis is performed considering composite material properties and piezoelectric coefficients as independent Gaussian random variables. Numerical results show that there is substantial change in dynamic response of the smart composite plate due to material uncertainties and damage. Deviation due to material uncertainty and damage can be compensated by actively tuning the feedback control system. Feedback control parameters can be properly adjusted to match the baseline response. Here baseline case represents the response of the undamaged smart composite plate with deterministic material properties. The change in feedback control parameters are identified as damage indicator. Feedback control based damage detection method is proposed for structural health monitoring in smart composite structure and robustness of the method is studied considering material uncertainties. Fractal dimension based damage detection method is proposed to detect localized matrix cracks in a composite plate with spatially varying material properties. Variation in material properties follows a two dimensional homogeneous Gaussian random field. Fractal dimension is used to extract the damage information from the static response of composite plate with localized matrix cracks. It is found that fractal dimension based approach is capable of detecting the location of the single and multiple damages from the static deflection curve. Robustness of the fractal dimension based damage detection method is studied considering spatial uncertainties in material properties.

This thesis aimed at the development of a fibre optic strain sensor-based damage detection and evaluation system (FODDAS) based on the composite beams. EFPI strain sensors were used with their integrity being assessed. Their performance, either bonded on the surfaces or embedded was examined extensively. They were shown to be adequate and reliable for strain measurements. Through-the-width damages were simulated by artificially-embedded delaminations, which were located at several through-the-thickness locations, each with two different sizes. The overall design considerations were guided by ply stresses and strains which were estimated by using the modified classical lamination theory (CLT). Considerable efforts were devoted to assessing the through-the-thickness mechanical behaviours of the beams containing optical fibres in three-point bending and short beam shear (SBS). They involved various optical fibre orientations with respect to 00 plies / longitudinal axis and at various through-the-thickness locations, each with different number of optical fibres. The understanding of these behaviours paved the way for the evaluation of the beam-based FODDAS. Smart preconditioned beams were subjected to the quasi -static loads whose magnitudes and locations were required to be well controlled. The viability and effectiveness of the beam-based FODDAS was evaluated in terms of strength and strain obtained by the embedded sensor as well as the surface-bonded strain gauges via the cross comparison of ten cases. For the strength, each beam was incrementally loaded up to the ultimate failure either in three-point bending or SBS. After each increment, the beam was unloaded and inspected for damage. For the given locations of EFPI-SS and artificial delamination as well as the sizes of the latter, it was found that the embedded EFPI-SSs were capable of picking up the stiffness degradation when the 10- mm as well as the 20-mm delamination was located at the 29-30 ply interface in the tensile region of a 32-ply quasi-isotropic carbon/epoxy smart composite beam. It was speculated from single tests results that the propagation of the embedded delamination of the sufficient size was able not only to be detected but also to be monitored by the sensors.

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

This thesis work was conducted in the Department of Mechanical Engineering at the Cape Peninsula University of Technology (CPUT) and was submitted towards the partial fulfilment of the Masters Degree in Technology: Mechanical Engineering. / Recent years have witnessed a tremendous growth and significant advances in “smart” composites and “smart” composite structures. These smart composites integrate active elements such as sensors and actuators into a host structure to create improved or new functionalities through a clever choice of the active elements and/or a proper design of the structure. Such composites are able to sense a change in the environment and make a useful response by using an external feedback control system. Depending on their applications, smart composites usually make use of either the joint properties of the structure or the properties of the individual elements within the composites. The accumulation in the understanding of materials science and the rapid developments in computational capabilities have provided an even wider framework for the implementation of multi-functionality in composites and make “smart” composites “intelligent”.

Pour étendre l'utilisation des composites dans des applications plus variées (applications intelligentes et multifonctionnelles), l'une des barrières est leur faible conductivité électrique et thermique. Dans le cas de composites renforcés par des fibres de carbone, la matrice organique est responsable des propriétés isolantes du composite résultant. L'une des solutions pour améliorer les conductivités des matériaux est l'utilisation des nanocharges conductrices. L'amélioration des propriétés électriques et thermiques des polymères nanochargés est une problématique récurrente dans la littérature. Cependant, étudier les propriétés des composites à fibre de carbone continue et nanochargés est moins abordée. Ce travail porte sur la fabrication et la caractérisation des composites nanochargés par du noir de carbone et des nanotubes de carbone. Tout d'abord, un intérêt particulier a été accordé à la phase délicate de la fabrication. Comme mentionné ci-dessus, la mise en œuvre des composites à renfort continu et matrice nanochargée implique des problèmes liés à l'agglomération et à la dispersion inhomogène des nanocharges dans le composite final. Pour résoudre ces problèmes, le choix de la matrice thermoplastique (Polyamide 6) était judicieux. En fait, la dispersion des nanocharges a été faite par extrusion bi-vis qui est connue comme l'une des voies les plus efficaces de séparation d'agglomérats. De plus, la méthode de fabrication à base de films de Polyamide 6, appelée film stacking, assure une partition homogène dès le début du processus. Des observations MEB ont été effectuées pour localiser les nanoparticules. Ceux-là ont montré que les particules pénétraient dans la zone des fibres. En effet, en atteignant le cœur des torons, les nano-charges ont créé un réseau de connectivité entre les fibres pour le passage de courant. Ceci explique l'amélioration constatée de la conductivité électrique des composites en présence de noir de carbone et des nanotubes de carbone. Ces essais ont été réalisés avec la méthode à 4 points. La conductivité électrique du composite à matrice « pure » est passée de 20S / cm à 80S / cm en ajoutant 8% en poids de noir de carbone et à 15S / cm en ajoutant 18% en poids de la même charge nanométrique. Pour les nanotubes de carbone, avec 2,5% en poids, la conductivité était d'environ 150S / cm. Pour les propriétés thermiques, des tests basés sur l'effet Joule ont été réalisés. L'augmentation de la température a été enregistrée en utilisant une caméra IR. Les résultats obtenus sont en accord avec ceux de la conductivité électrique, montrant une amélioration du comportement thermique en présence de nanocharges. Grâce à ces résultats, l'utilisation de ces composites comme outil de suivi d’endommagement était possible. Par ailleurs, la méthode de variation de la résistance électrique a été effectuée. Les matériaux nanochargés ont montré une meilleure sensibilité aux endommagements. Les résultats ont été comparés aux outils classiques de suivi d’endommagement. A la fin, plusieurs applications « intelligentes » ont été testées telles que : le composite à gradients de propriétés et des matériaux nanochargés cousus. / To extend the use of composites in more varied application (smart applications, multifunctional issues), one of the actual barrier is their poor electrical and thermal conductivities. In the case of carbon fiber reinforced composites, organic matrix are in charge of the insulating properties of the resulting composite. One of the solutions to enhance conductivities of materials is the use of conductive nanofillers. Improving the electrical and thermal properties of nanofilled polymers has been investigated in several studies. However, studiing the properties of continuous carbon fiber nano-filled composites is less approached. This work tends to fabricate and characterize carbon black and carbon nanotubes nano-filled composites. First of all, special interest was given to the delicate phase of manufacturing. As mentioned before, processing continuous fiber reinforced nanofilled polymers implies issues related to nanofillers agglomeration and inhomogeneous dispersion in the final composite. To resolve these problems, the choice of the thermoplastic (Polyamide6) matrix seemed preferable. In fact, the dispersion of nanofillers was made by twin screw extrusion which is known as one of the most effective agglomeration separation ways. Adding to this, the fabrication method based on Polyamide 6 shects called film stacking, ensure a homogeneous partition at the beginning of the process. SEM observations were performed to localize the nano-particles. It showed that particles penetrated on the fiber zone. In fact, by reaching the fiber zone, the nano-fillers created network connectivity between fibers which means an easy pathway for the current. It explains the noticed improvement of the electrical conductivity of the composites by adding carbon black and carbon nanotube. This test was performed with the 4 points electrical circuit. It shows that electrical conductivity of 'neat' matrix composite passed from 20S/cm to 80S/cm by adding 8wt% of carbon black and to 15S/cm by adding 18wt% of the same nano-filler. For carbon nanotubes, with '2.5wt% the conductivity was around 150S/cm. For the thermal properties, tests based on Joule's effect were performed. The rise of temperature was recorded using IR camera. Results obtained are in agreement with the electrical conductivity ones, showing enhancement of the thermal behavior in presence of nanofillers. Thanks to these results, the use of these composites as a damage-monitoring tool was possible. By the way, the electrical resistance change method was performed. Nanofilled materials showed better sensitivity to damage. Results were compared with classical damage monitoring tools. At the end, several 'smart' applications were tested such as graded functionalities composite and stitched nanofilled materials.

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

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