La mise en oeuvre de systèmes de détection de défauts à même les structures ou infrastructures en génie est le sujet d’étude du Structural Health Monitoring (SHM). Le SHM est une solution efficace à la réduction des coûts associés à la maintenance de structures. Une stratégie prometteuse parmi les technologies émergentes en SHM est fondée sur l’utilisation d’ondes ultrasonores guidées. Ces méthodes sont basées sur le fait que les structures minces agissent comme guides d’ondes pour les ondes ultrasonores. Puisque les structures aéronautiques sont majoritairement minces, les ondes guidées constituent une stratégie pertinente afin d’inspecter de grandes surfaces. Toutefois, les assemblages aéronautiques sont constitués de plusieurs éléments modifiant et compliquant la propagation des ondes guidées dans celles-ci. En effet, la présence de rivets, de raidisseurs, de joints ainsi que la variation de la nature des matériaux utilisés complexifie la propagation des ondes guidées. Pour envisager la mise en oeuvre de systèmes de détection basés sur les ondes guidées, une compréhension des interactions intervenant dans ces diverses structures est nécessaire. Un tel travail entre dans le cadre du projet de collaboration CRIAQ DPHM 501 dont l’objectif principal est de développer une banque de connaissances quant à la propagation d’ondes guidées dans les structures aéronautiques. Le travail de ce mémoire présente d’abord les résultats d’études paramétriques numériques obtenus dans le cadre de ce projet CRIAQ. Puis, afin de faciliter la caractérisation expérimentale de la propagation des ondes guidées, une seconde partie du travail a porté sur le développement d’un absorbant d’ondes guidées. Cet absorbant permet également d’envisager l’extension des régions observables par les systèmes SHM. Ce deuxième volet contribue donc également au projet CRIAQ par l’atténuation de réflexions non désirées dans l’étude menée sur les maintes structures aéronautiques nourrissant la banque de connaissances. La première partie de ce mémoire relève l’état des connaissances de la littérature sur la propagation d’ondes guidées dans les structures aéronautiques. La deuxième partie présente rapidement le formalisme derrière les ondes de Lamb ainsi que les différentes approches analytiques pour caractériser les interactions entre ondes guidées et discontinuités. Par la suite, les outils utilisés pour effectuer les simulations par éléments finis sont présentés et validés par le biais d’une phase expérimentale. La deuxième partie se termine avec la présentation des différentes structures et discontinuités étudiées dans le cadre du projet CRIAQ. Finalement, la troisième et dernière partie de ce mémoire présente les travaux numériques orientés vers la conception d’un absorbant idéal pour ondes guidées. Afin d’y parvenir, une étude paramétrique quant à la forme, les dimensions et les propriétés mécaniques de l’absorbant est entreprise. Enfin, une étude expérimentale permettant de valider les résultats numériques est présentée.

L'objectif de cette thèse est de réaliser un système de Contrôle Santé Intégré des structures aéronautiques (CSI ou SHM) autonome et à double-fonctionnalité. Ce système doit être en mesure d'assurer son autonomie énergétique tout en réalisant les tâches de détection et de localisation des endommagements. Latechnique retenue pour alimenter ce système est basée sur la récupération d'énergie vibratoire par transducteurs piézoélectriques SHM collés. Durant ces travaux, un modèle analytique complet de la chaîne de récupération d'énergie vibratoire a d'abord été créé. Ce modèle, validé par la Méthode des ÉlémentsFinis (MEF), permet d'améliorer le rendement du système en déterminant les dimensions, les locali-sations et le type de matériau piézoélectrique idéals des transducteurs. Ce modèle a ensuite été étendu à une configuration plus représentative des conditions de vibrations d'une structure en vol. Une bonne corrélation entre les résultats provenant du modèle prédictif et les essais sur un banc de mesures a étémise en évidence. Une puissance de 1.67mW a été récupérée et la capacité large bande des transducteurs a été vérifiée. L'application de la récupération d'énergie au contrôle de structures composites en cours d'assemblage sur les lignes de production a également été étudiée. Dans ce cas, un transducteur stratégiquement localisé et alimenté par une source de tension disponible génère des ondes de Lambdans la structure afin de pallier l'absence de vibrations naturelles. Un réseau de transducteurs secondaires disséminés sur cette structure récupère et convertit cette énergie vibratoire en énergie électrique. Une puissance de 7.36 mW a été récoltée et ce système a été en mesure de détecter une chute d'outil sur le composite et d'éclairer de façon autonome une diode électroluminescente (DEL) simulant ici la consommation de la transmission sans fil de l'information.

Les ingénieurs sont constamment mis au défi de concevoir des avions plus légers et moins polluants. En même temps, ils se doivent de respecter un certain nombre de critères de dimensionnement établis pour assurer l'intégrité des structures aéronautiques. Pour répondre à ce double défi, les chercheurs du milieu industriel et académique travaillent à l'unisson pour constamment repousser les limites du savoir scientifique. Ces collaborations aboutissent notamment au développement de nouveaux outils mathématiques, numériques, expérimentaux et de production.On trouve de nombreuses pièces métalliques parmi les composants aéronautiques les plus critiques, comme les trains d’atterrissages, les arbres moteurs ou les chapes. Ces structures subissent des chargements extrêmes de par leur environnement thermique ou leur intense sollicitation mécanique ponctuelle ou cyclique. Pour ces structures élastoplastiques, la ruine peut généralement être causée par l'apparition et la propagation de fissures, ou l'émergence d'instabilités locales, comme la localisation de la déformation plastique, ou d'instabilités globales, comme le flambement.Dans les travaux présentés dans ce manuscrit, nous nous sommes intéressés à la détection d’instabilités locales et globales dans des structures élastoplatiques en grandes déformations. Alors qu'elles sont classiquement considérées indépendamment, nous avons fait le choix d'étudier les deux types d'instabilités simultanément pour mieux comprendre la compétition entre ces deux phénomènes. Pour ce faire, plusieurs développements analytiques sont présentés et fondés sur le critère de stabilité de Hill (1958) et le critère de localisation de la déformation de Rice (1976), ainsi que la proposition d'une nouvelle méthode d'"analyses de stabilité affaiblie" permettant d'investiguer la sensibilité aux types de conditions limites imposées. Tous ces critères ont été implémentés dans le code de calcul par éléments finis Zset, ce qui nous a permis, entre autres, d'analyser l’apparition d'instabilités élastoplastiques dans différentes éprouvettes de traction/torsion, des tubes en torsion et une chape en traction. / Aeronautical engineers are constantly challenged to provide lighter structures in order to reduce fuel consumption, and thus the environmental impact and flight costs. At the same time, the design of aeronautical structures is subjected to strict regulation aimed at ensuring the integrity of the aircraft and the safety of the passengers. To tackle this challenge, the limits of structural and material mechanics are consistently explored which in turn leads to the development of new, mathematical, numerical, experimental and manufacturing tools.There are numerous metallic parts in the most critical aeronautical structures, like landing gears, engine shafts, or mechanical lugs. These parts are subjected to extreme loading conditions due to the thermal environment or to the intense mechanical ultimate or cyclic loading. The failure of these elastoplastic structures is generally caused by the initiation and propagation of cracks or by the emergence of local instabilities, such as plastic strain localization, or global instabilities, such as buckling.In the present work, we focus on the detection of local and global elastoplastic instabilities in a finite deformation framework. While they are generally studied separately, it was chosen to study both phenomena together in order to analyze and better understand the competition between localization and buckling in elastoplastic structures. For this purpose, multiple analytical developments are presented founded on Hill's global stability criterion (1958) and Rice's strain localization criterion (1976). The new "weakened stability analysis" has been introduced in order to analyze the sensitivity to the type of prescribed boundary conditions. All these criteria have been implemented in the finite element software Zset, which allowed us to analyze the emergence of elastoplastic instabilities in various experimental samples, tubes loaded in torsion, and a lug loaded in tension.

L’objectif de cette thèse est de réaliser un système de Contrôle Santé Intégré des structures aéronautiques (CSI ou SHM) autonome et à double-fonctionnalité. Ce système doit être en mesure d’assurer son autonomie énergétique tout en réalisant les tâches de détection et de localisation des endommagements. Latechnique retenue pour alimenter ce système est basée sur la récupération d’énergie vibratoire par transducteurs piézoélectriques SHM collés. Durant ces travaux, un modèle analytique complet de la chaîne de récupération d’énergie vibratoire a d’abord été créé. Ce modèle, validé par la Méthode des ÉlémentsFinis (MEF), permet d’améliorer le rendement du système en déterminant les dimensions, les locali-sations et le type de matériau piézoélectrique idéals des transducteurs. Ce modèle a ensuite été étendu à une configuration plus représentative des conditions de vibrations d’une structure en vol. Une bonne corrélation entre les résultats provenant du modèle prédictif et les essais sur un banc de mesures a étémise en évidence. Une puissance de 1.67mW a été récupérée et la capacité large bande des transducteurs a été vérifiée. L’application de la récupération d’énergie au contrôle de structures composites en cours d’assemblage sur les lignes de production a également été étudiée. Dans ce cas, un transducteur stratégiquement localisé et alimenté par une source de tension disponible génère des ondes de Lambdans la structure afin de pallier l’absence de vibrations naturelles. Un réseau de transducteurs secondaires disséminés sur cette structure récupère et convertit cette énergie vibratoire en énergie électrique. Une puissance de 7.36 mW a été récoltée et ce système a été en mesure de détecter une chute d’outil sur le composite et d’éclairer de façon autonome une diode électroluminescente (DEL) simulant ici la consommation de la transmission sans fil de l’information. / The aim of this thesis is to develop a self-powered Structural Health Monitoring (SHM) system for aeronautical applications. This system has to be fully autonomous and has to be able to carry out SHM tasks such as damage detection and location. The energetic autonomy of the system is provided by a vibrational energy harvesting technology using bonded SHM piezoelectric transducers. In this document,an analytical model of the energy harvesting process has been proposed. This model, validated by the Finite Element Method (FEM), allows the optimization of the energy harvesting system by determining the ideal type of transducers as well as their optimal dimensions and locations. Then, this model has been applied to a configuration aiming to be more representative of the in-flight vibrations experienced by a structure. Good agreement has been found between the analytical simulation and the experimental measurements. A power of 1.67mW has been harvested and the wideband capability of the transducers has been verified. Afterwards, the possibility of using the vibrational energy harvesting technology to control composite structures on assembly line has been investigated. For this case study, a transducer strategically located nearby an available power supply generates Lamb waves throughout the structure to tackle the absence of natural vibration. The remaining sensors, spread all over the structure, convertthe mechanical vibrations into electrical power. Using this technology, a power of 7.36mW has been harvested. Finally, this SHM system has also been able to detect a tool drop on the composite structure and to light simultaneously and autonomously a light-emitting diode (LED) simulating the consumption required to transmit the information wirelessly.

L'assemblage de structures aéronautiques nécessite de nombreuses opérations de perçage et de fraisurage. Les deux problématiques principales concernant ces opérations sont que les alésages réalisés correspondent aux standards de qualité exigés, et que les outils coupants soient utilisés de manière optimale afin de réduire les coûts. Ces deux objectifs nécessitent l'implémentation d'une solution de surveillance en ligne des opérations de perçage. De nombreuses études ont été réalisées à ce sujet. Pourtant, une grande partie des méthodologies développées ont peu de chance de quitter les laboratoires au profit des sites de production industrielle en raison de leur difficulté d'implémentation et de leur manque de robustesse. L'utilisation de plusieurs capteurs, couplés à des techniques avancées de traitement de l'information a permis une meilleure appréhension de la complexité du procédé de perçage et une augmentation de la flexibilité des systèmes de surveillance. Cependant, la majorité des études ont été réalisées en laboratoire et dans des conditions favorables, et les problématiques relatives à la flexibilité des conditions opératoires, ou encore à la qualité des données issues des capteurs n'ont pas été abordées. Cette étude a pour but de démontrer les améliorations potentielles que peuvent apporter les développements récents concernant la modélisation et la fusion de connaissances imparfaites pour la surveillance robuste des opérations de perçage. Une approche sera proposée pour l'implémentation industrielle de systèmes de surveillance de procédés. La méthodologie proposée doit pouvoir être transposée à un champ d'application plus large incluant la plupart des procédés de fabrication automatisés.

En raison de la gravité des accidents liés au phénomène de fatigue-propagation de fissure, les préoccupations de l'industrie aéronautique à assurer l'intégrité des structures soumises à ce mode de sollicitation revêtent un caractère tout à fait essentiel. Les travaux de thèse présentés dans ce mémoire visent à appréhender le problème de sûreté des structures aéronautiques dimensionnées en tolérance aux dommages sous l'angle probabiliste. La formulation et l'application d'une approche fiabiliste menant à des processus de conception et de maintenance fiables des structures aéronautiques en contexte industriel nécessitent cependant de lever un nombre important de verrous scientifiques. Les efforts ont été concentrés au niveau de trois domaines dans ce travail. Une méthodologie a tout d'abord été développée afin de capturer et de retranscrire fidèlement l'aléa du chargement de fatigue à partir de séquences de chargement observées sur des structures en service et monitorées, ce qui constitue une réelle avancée scientifique. Un deuxième axe de recherche a porté sur la sélection d'un modèle mécanique apte à prédire l'évolution de fissure sous chargement d'amplitude variable à coût de calcul modéré. Les travaux se sont ainsi appuyés sur le modèle PREFFAS pour lequel des évolutions ont également été proposées afin de lever l'hypothèse restrictive de périodicité de chargement. Enfin, les analyses probabilistes, produits du couplage entre le modèle mécanique et les modélisations stochastiques préalablement établies, ont entre autre permis de conclure que le chargement est un paramètre qui influe notablement sur la dispersion du phénomène de propagation de fissure. Le dernier objectif de ces travaux a ainsi porté sur la formulation et la résolution du problème de fiabilité en tolérance aux dommages à partir des modèles stochastiques retenus pour le chargement, constituant un réel enjeu scientifique. Une méthode de résolution spécifique du problème de fiabilité a été mise en place afin de répondre aux objectifs fixés et appliquée à des structures jugées représentatives de problèmes réels.

En raison de la gravité des accidents liés au phénomène de fatigue-propagation de fissure, les préoccupations de l’industrie aéronautique à assurer l’intégrité des structures soumises à ce mode de sollicitation revêtent un caractère tout à fait essentiel. Les travaux de thèse présentés dans ce mémoire visent à appréhender le problème de sûreté des structures aéronautiques dimensionnées en tolérance aux dommages sous l’angle probabiliste. La formulation et l’application d’une approche fiabiliste menant à des processus de conception et de maintenance fiables des structures aéronautiques en contexte industriel nécessitent cependant de lever un nombre important de verrous scientifiques. Les efforts ont été concentrés au niveau de trois domaines dans ce travail. Une méthodologie a tout d’abord été développée afin de capturer et de retranscrire fidèlement l’aléa du chargement de fatigue à partir de séquences de chargement observées sur des structures en service et monitorées, ce qui constitue une réelle avancée scientifique. Un deuxième axe de recherche a porté sur la sélection d’un modèle mécanique apte à prédire l’évolution de fissure sous chargement d’amplitude variable à coût de calcul modéré. Les travaux se sont ainsi appuyés sur le modèle PREFFAS pour lequel des évolutions ont également été proposées afin de lever l’hypothèse restrictive de périodicité de chargement. Enfin, les analyses probabilistes, produits du couplage entre le modèle mécanique et les modélisations stochastiques préalablement établies, ont entre autre permis de conclure que le chargement est un paramètre qui influe notablement sur la dispersion du phénomène de propagation de fissure. Le dernier objectif de ces travaux a ainsi porté sur la formulation et la résolution du problème de fiabilité en tolérance aux dommages à partir des modèles stochastiques retenus pour le chargement, constituant un réel enjeu scientifique. Une méthode de résolution spécifique du problème de fiabilité a été mise en place afin de répondre aux objectifs fixés et appliquée à des structures jugées représentatives de problèmes réels. / Ensuring the integrity of structural components subjected to fatigue loads remains an increasing concern in the aerospace industry due to the detrimental accidents that might result from fatigue and fracture processes. The research works presented here aim at addressing the question of aircraft safety in the framework of probabilistic fracture mechanics. It should be noticed that a large number of scientific challenges requires to be solved before performing comprehensive probabilistic analyses and assessing the mechanical reliability of components or structures in an industrial context. The contributions made during the PhD are reported here. Efforts are provided on each step of the global probabilistic methodology. The modeling of random fatigue load sequences based on real measured loads, which represents a key and original step in stochastic damage tolerance, is first addressed. The second task consists in choosing a model able to predict the crack growth under variable amplitude loads, i.e. which accounts for load interactions and retardation/acceleration effects, at a moderate computational cost. The PREFFAS crack closure model is selected for this purpose. Modifications are brought in order to circumvent the restrictive assumption of stationary load sequences. Finally, probabilistic analyses resulting from the coupling between the PREFFAS model and the stochastic modeling are carried out. The following conclusion can especially be drawn. Scatter in fatigue loads considerably affects the dispersion of the crack growth phenomenon. Then, it must be taken into account in reliability analyses. The last part of this work focuses on phrasing and solving the reliability problem in damage tolerance according to the selected stochastic loading models, which is a scientific challenge. A dedicated method is established to meet the required objectives and applied to structures representative of real problems.

Dans une aviation où la sécurité des vols est au cœur des préoccupations des constructeurs, le contrôle de santé des structures est l'un des nouveaux pôles majeurs de recherche et développement engagé par la communauté aéronautique depuis ces dix dernières années. Un système SHM (structural Heath monitoring) intégré aux structures avioniques (tels que le sont déjà les systèmes de monitoring des moteurs) permettrait de : - rendre l’aviation plus sûre et éviterait certains des accidents aériens ; - réduire les coûts de maintenance ; - alléger, à terme, le poids total car cela permettrait de d’éviter les sur-renforcements structuraux actuels. Le travail développé durant cette thèse, dans le cadre d'un projet industriel, concerne le développement de solutions exploitant l'utilisation de nœuds piezoélectriques au sein de microsystèmes reconfigurables dédiés à la détection de défauts dans des éléments de structure d'avion. L'exploitation de données issues de la génération/capture d'ondes de Lamb ainsi que des techniques se basant sur l'étude de l'impédance électromécanique du capteur ont été développées et étudiées sur différents types de défauts identifiés tels que cracks, corrosion, délaminages etc... La méthode proposée repose sur la comparaison et l'évolution dans le temps de signatures de réseaux de capteurs utilisant l’effet piezoélectrique et placés sur des éléments choisis de structures avions. L'interface capteur-matériau a été spécialement étudiée afin de garantir le couplage le plus efficace possible. Les techniques de « monitoring » ainsi développées ont été testées sur des structures aéronautiques métalliques et des structures en matériaux composites simples/sandwichs extraites d’avions Airbus et ATR. Différentes solutions d’intégration de ces capteurs et nœuds ont été passées en revue et une démarche a été proposée, allant de l’architecture des effecteurs au conditionnement et à la transmission des signaux et informations d’intéret. Une nouvelle vision de l’électronique de détection de défauts, permettant de développer une instrumentation « universelle » de capteurs à travers une combinaison de circuits numériques/analogiques reconfigurables à entrées/sorties versatiles, a été implémentée et testée avec succès / Structural health monitoring (SHM) is certainly one of the key technologies required to provide the safety and the reliability of future aviation. Based on non-destructive testing, current on the ground periodical structural integrity inspections showed their limit as evidenced by the Columbia tragedy. For the time being, structural health monitoring technology has reached a good technology readiness level (TRL). However, the integration of these solutions into future aerospace vehicle will require advanced and innovative system architecture. Further, improved SHM techniques and alleged assessment algorithm will be necessary to ensure an embedded integration, as well as to fully exploit their sensing capability. For now, most of high critical embedded systems are based on federate architectures, where each calculator is dedicated to a specific function and to a unique kind of sensor. By consequence, the integration on the field of conventional SHM solutions is highly difficult due to the scale and the weight of the global electronics systems. Based on a fully reconfigurable micro-system, I propose in this thesis, a novel SHM approach that combines into a unique System on Chip: • Sensors instrumentation and interfacing using reconfigurable analog circuits• Signal management and conditioning using reconfigurable digital electronics • Heath diagnostic assessment algorithms using an embedded CPUBased on elastic guided waves and electromechanical impedance analysis, the presented solution is capable through piezoelectric sensors to detect different kinds of abnormal events such as impacts. Moreover, using advanced wavelet transform and signature comparison algorithms, the system is also capable to detect mechanical damages such as corrosion, cracks or delaminations ; no matter if the probed structure is in simple composite, honeycomb composite or metallic alloy. The feasibility was proven using multiples specimens directly extracted from Airbus and ATR airplanes. To cover large areas, the system is fully scalable and accepts a hardware upgrade through multiple communication ports and protocols. Moreover, the versatility of inputs/outputs interface allows the exploitation of multiple sensors in order to locate and triangulate flaws