Le coût croissant de l’énergie a fait de l’économie d’énergie une nécessité vitale dans le monde actuel. Un des exemples consiste à “maintenir la chaîne du froid”, c’est-à-dire le transport correct des aliments périssables dans les véhicules réfrigérés, en particulier pour les produits laitiers, la viande et les aliments congelés. Tout en conservant une conservation appropriée des denrées alimentaires, l’ATP (Agreement on Transport of Perishable Foodstuffs) est l’un des accords concernant les essais d’isolation thermique qui déterminent l’adéquation du transport. Le test standard ATP est une procédure pour mesurer l’état isolant des équipements avec une approche globale. Néanmoins, certains défauts locaux dans la structure de l’équipement ne peuvent pas être visualisés dans cette procédure. Dans ce contexte, la technique de thermographie pourrait être particulièrement utile à ces problèmes. Deux exemples de cette application sont présentés dans cette thèse, l’un d’eux se concentre sur la cartographie du flux de chaleur sur la surface externe d’un rouleau-conteneur isolé par la technique de thermographie infrarouge. La seconde tente d’établir une vue panoramique du flux de chaleur sur la surface interne d’un véhicule isolé. Encouragé par les résultats favorables précédents, une exploration de l’approche à froid dans la thermographie infrarouge pour les Tests Non-Destructifs et l’Évaluation est introduite et réalisée dans ce qui suit. Une approche se concentre sur la détection des défauts isolés et des ponts thermiques dans les panneaux de caisses de camions isolés par chauffage à lampe et refroidissement par air, deux moyens d’excitation opposés. L’autre examine un refroidissement à l’azote liquide appliqué à un échantillon d’acier avec des trous à fond plat de différentes profondeurs et tailles. Différentes méthodes de traitement des données et de modélisation et de simulation sont effectuées dans des chapitres connexes. / The increasing cost of energy has made energy saving a vital necessity in the current world. One of the examples involves, “Maintaining the cold chain”, which is the correct transport of perishable foodstuffs in refrigerated vehicles, especially for dairy products, meat and frozen foods. In this respect a suitable thermal insulation implemented in refrigerated vehicles is essential for saving energy while maintaining an appropriate conservation of the foodstuffs. ATP (Agreement on Transport of Perishable Foodstuffs) is one of the agreements concerning thermal insulation tests ensuing the suitability of the transport. The ATP standard test is a procedure to measure the insulating status of equipment with a global approach. Nonetheless, some local defects in the structure of equipment cannot be visualized in this procedure. The thermography technique could be particularly helpful for these issues. Two examples of this application are presented in this thesis, one focuses on mapping the heat flux on the external surface of an insulated rollcontainer by infrared thermography technique. The second one attempts to establish a panoramic view of the heat flux on the internal surface of an insulated vehicle. Encouraged by previous favorable results, an exploration of the cold approach in infrared thermography for Non-Destructive Testing & Evaluation is introduced and performed herein. One approach focuses on the detection of insulated flaws and thermal bridges in insulated truck box panels by lamp heating and air cooling, two opposite means of excitation. The other approach investigates the application of liquid nitrogen cooling to a steel specimen with flat-bottom holes of different depths and sizes. Different data processing methods and modeling and simulation are also carried out.

Ces dernières années, l'émergence de matériaux avancés et de méthodes de fabrication a conduit à la production de composants mécaniques qui fournissent de meilleures spécifications mécaniques avec un poids inférieur. Ces produits spéciaux sont utilisés dans les industries de haute technologie comme l'aérospatiale et l'armée. Par conséquent, la qualité du produit est essentielle pour obtenir un produit sécurisé. Les controles non destructifs (CND) sont l'une des méthodes les plus utilisées pour détecter les défauts internes de différents matériaux. Cette technique n'a pas d'effet négatif sur les spécimens. Les différentes techniques de tests non destructifs sont utilisées dans différents domaines pour assurer l'exactitude, vérifier l'intégrité, réduire les coûts de production et détecter les défauts. Diverses méthodes CND ont été introduites et développées pour détecter les défauts et les délaminages qui ont été utilisés en fonction de la taille et du type de défaut, du matériau et de la localisation des défauts. La thermographie par balayage linéaire (LST) est une technique de thermographie dynamique qui permet d'inspecter de grands composants de surfaces métalliques et de composites couramment utilisés dans l'industrie aérospatiale. En tant que technique de test et de controle non destructive (CND), la LST est une technique dynamique adaptée à l'inspection de composants aérospatiaux importants et complexes. La méthode LST robotisée présente des avantages par rapport aux approches statiques. La LST robotisé fournit une uniformité de chauffage et permet un traitement d'image qui améliore la probabilité de détection, permettant à un composant à grande échelle d'être inspecté sans perte de résolution. En utilisant l'approche LST, il est possible d'inspecter de grandes surfaces à des vitesses de balayage élevées. De plus, les résultats d'inspection sont immédiatement disponibles pour analyse pendant que le processus de numérisation se poursuit. / In the last decade, emerging of advanced materials and manufacturing methods leads to produce the mechanical components, which provide better mechanical specifications with lower weight. These special products are used in the high technology industries such as aerospace and military. Hence, the product quality is vital to achieve a secure product. Non-destructive Testing (NDT) is one of the popular methods, which is employed to detect the internal defects of different materials. This technique does not have any negative effect on the specimens. The various techniques of nondestructive testing are used in different fields to ensure accuracy, verify integrity, reduce production costs and detect defects. Various NDT methods were introduced and developed to detect the flaws and delamination which have been used according to defect size and type, material, and defect location. Line scan thermography (LST) is a dynamic thermography technique, which is used to inspect large components of metallic surfaces and composites, commonly used in the aerospace industry. As a nondestructive testing and evaluation (NDT&E) technique, LST is a dynamic technique suited to inspect large and complex aerospace components. The robotized LST method provides advantages in comparison to the static approaches. Robotized LST provides heating uniformity and allows image processing which enhances the detection probability, allowing a large-scale component to be inspected without the loss of resolution. Using the LST approach, it is possible to inspect large areas at high scan speeds. Also, the inspection results are immediately available for analysis while the scanning process continues. One of the important challenges in LST method is the number of parameters such as scanning speed, power, the distance between source and specimen, which affect the LST performance. The optimal values are dependent on the material structure, thermal specifications of the composite material, defect shape and infrared camera resolution. In order to determine the optimal parameters, the LST is simulated using a 3D finite element method (FEM). The main objective of this thesis is to maximize the detection depth and the signal-to-noise (SNR) value at maximum signal contrast as the criteria to evaluate the inspection quality and performance. A composition of the analytical model of LST thermography, 3D finite element approach and experimental data is employed to find the optimal LST parameters. The signal processing techniques that were initially developed to be applied on pulse thermography have been successfully implemented to enhance the detection probability.

Ce mémoire présente l'intégration des appareillages et le développement de procédures expérimentales pour la réalisation d'inspection non destructive effectuée par vibrothermographie stimulée par ultrasons. Le laboratoire de vision et systèmes numériques (LVSN) de l'Université Laval s'est doté, en 2005, de deux sources ultrasonores destinées à l'étude et le développement d'une technique non destructive manquante au laboratoire. Cette technique s'appelle la vibrothermographie stimulée par ultrasons du fait que l'on utilise une caméra infrarouge pour cartographier thermiquement, sans contact, la surface d'un matériau stimulé mécaniquement par ondes mécaniques de fréquences ultrasoniques. Après avoir lu ce mémoire, le lecteur devrait être capable de réaliser une inspection non destructive efficace par vibrothermographie stimulée par ultrasons. Ce dispositif intégré au cours de ma maîtrise est maintenant opérationnel au sein du laboratoire pour des fins d'élargissement des techniques d'inspection non destructive de matériaux.

Ce mémoire a pour but de comparer deux méthodes de contrôle non destructif : la thermographie modulée et la thermographie puisée, l'étude a été faite sur différents échantillons utilisés dans la construction aéronautique et est présentée sous forme de comparaison quantitative et qualitative, avec une explication des avantages et des inconvénients de chaque méthode.

Ce travail porte sur l'amélioration de la méthode de la grille afin de mesurer avec de meilleures performances métrologiques des champs de déformation en surface d'éprouvettes soumises à des sollicitations mécaniques. Une procédure d'obtention directe des déformations à partir d'images de grilles a été proposée dans ce but. L'influence des défauts de la grille a également été caractérisée et une procédure adaptée a été développée pour l'éliminer. Les outils proposés ont été appliqués dans le cas de grilles unidirectionnelles et croisées. Les performances métrologiques ont été estimées avec des essais adaptés. Enfin, la méthode a été appliquée à un essai sur un multicristal d'aluminium, montrant ainsi sa mise en oeuvre dans un cas complexe de caractérisation de comportement de matériau

La compréhension et la modélisation des mécanismes de localisation observés lors de processus d'emboutissage représentent un enjeu industriel important. L'objectif de ce travail est d'étudier, par une approche expérimentale basée sur l'analyse des sources de chaleur, les manifestations de localisation pouvant se produire, sur des aciers, lors d'essais quasi-statiques de traction monotone.<br />A partir d'un traitement d'images thermiques infrarouge (effets) et de l'équation de diffusion de la chaleur, on propose une méthode permettant d'estimer les sources de chaleur (causes) générées par le processus de déformation.<br />Sur certains aciers doux, on met en évidence la propagation à vitesse uniforme d'une ou plusieurs bandes dissipatives étroites à travers la zone utile de l'éprouvette. Comparativement à ce premier mode (bandes de Lüders) où les effets dissipatifs sont soudains, intenses et très localisés, on met en évidence le caractère plus régulier et progressif de la concentration des zones où se développent les irréversibilités mécaniques menant à la striction localisée. Des "indicateurs de localisation énergétiques'' proposés pour détecter la localisation montrent qu'elle peut apparaître avant le maximum de la charge, dans plusieurs zones de l'éprouvette. Ce constat implique que la partie utile d'une éprouvette doit être considérée comme une structure et non comme un élément de volume réagissant de façon homogène, ce qui n'est pas sans conséquences sur les méthodes d'identification des modèles de comportement utilisés, en particulier, dans les approches théoriques de la localisation.<br />Enfin, d'autres expériences ont permis de mettre en évidence des manifestations énergétiques associées à des formes particulières de localisation : propagation de fronts de changement de phase (acier inoxydable A301), effets dissipatifs associés à des bandes de glissement (acier magnétique HiBiGO), effets dissipatifs localisés dans des bandes de cisaillement (polymère PVC).

Ce mémoire est consacré à la résolution des problèmes inverses. Il est divisé en deux parties, la première concerne les phénomènes mécaniques et la deuxième les phénomènes thermiques. Avant de proposer des algorithmes pour résoudre les problèmes inverses considérés, la résolution des problèmes directs est au préalable analysée en détail. Le premier thème développé dans la partie mécanique est l'identification des dix caractéristiques d'inertie d'un solide rigide. Les équations du mouvement sont formulées par une égalité entre matrices 4x4 antisymétriques, l'une associée au torseur dynamique, l'autre au torseur des efforts extérieurs. Les caractéristiques d'inertie sont regroupées en une matrice 4x4 symétrique défini-positive. Cette matrice intervient linéairement dans les équations du mouvement, la prise en compte de sa positivité est essentielle à la convergence de l'algorithme du type gradient conjugué projeté proposé pour l'identifier. Le deuxième thème abordé est l'identification du moment quadratique de la section droite d'une poutre en flexion. La partie thermique concerne l'identification de la conductivité thermique et de la chaleur volumique d'un solide dans le cas d'une propagation unidimensionnelle de la chaleur. La méthodologie développée est la suivante : Construction d'un algorithme A1 de résolution du problème direct, Construction d'un algorithme A2 de résolution du problème inverse, Validation de l'algorithme A2 à l'aide de simulations obtenues par l'algorithme A1, Identification des paramètres thermophysiques de trois polymères par exploitation de champs de température mesurés expérimentalement par thermographie infrarouge.

Les composites thermoplastiques sont de plus en plus privilégiées dans les structures aérospatiales au vue de leur tolérance aux dommages améliorée par rapport aux résines thermodurcissables. Néanmoins, ils restent sensibles à l’impact car il produit des endommagements complexes au sein du matériau, dont le délaminage est le plus critique. La propagation de ces endommagements en compression après impact (CAI) entraîne une réduction de la tenue résiduelle. D’abord, des essais ENF ont été menés afin de déterminer la ténacité interfaciale par le biais de la méthode de la complaisance et de la technique de thermographie infrarouge. Ensuite, l’essai « Short Beam Shear » est proposé afin d’investiguer le couplage entre la fissuration matricielle et le délaminage. L’effet de la vitesse de sollicitation a été également étudié. La valeur de ténacité mesurée semble indépendante à la vitesse de sollicitation car, lors des essais réalisés, la propagation est instable. Ensuite, le comportement d’une éprouvette académique été étudié à l’aide du « Discrete Ply Model » (DPM) permettant d’enchaîner la simulation d’impact et de CAI. Ce modèle est basé sur une approche semi-discrète modélisant le délaminage et la fissuration matricielle par des éléments cohésifs, permettant de prendre en compte le couplage entre ces deux endommagements. Une vaste campagne d'essais expérimentaux d’impact et de CAI a été mise en place sur quatre empilements différents impactés à trois niveaux d’énergie. Le modèle DPM a prouvé sa capacité à prédire correctement les endommagements d’impact et de CAI. Finalement, afin de se rapprocher des conditions de structures réelles, le comportement en compression après impact d’une plaque trouée a été investigué. / High-performance thermoplastic composite have been increasingly used in aerospace applications because of their advantageous mechanical properties. Nevertheless, impact damage leads to significant reduction in structure compressive strength although damage may remain unnoticed. Delamination is the most critical damage. Short Beam Shear (SBS) test has been proposed to reproduce impact damage chronology and characterize delamination toughness. Infrared thermography is used for local measuring of fracture toughness in this unclassical test showing unstable fracture growth. Mode II fracture toughness (GIIC) values are comprised between 0.9 and 1.7 N/mm and there was no influence of the loading rate in GIIC values. Discrete Ply Model (DPM) is therefore used to model impact and compression after impact tests on laminated composite structures. Tests have been conducted in order to validate DPM capacity to capture the effects of progressive damage and failure. Impact damage and specimen’s compressive strength is well predicted by DPM. CAI damage propagation is driven by the buckling of the structure. DPM is finally employed to study impact on an industrial sample with a large diameter hole. Impact damage correlates with tests but buckling is difficult to estimate, meaning that rupture of the specimen does not correlate to tests. Nevertheless, DPM shows a good ability to predict damage in thermoplastic composite.

Ce travail se propose de caractériser thermiquement des composites à microstructures complexes. Il s’agit de développer des méthodes d’estimation permettant d’identifier les propriétés thermiques des différentes phases en présence, ainsi que celles associées à leurs interfaces, à partir de mesures issues de la thermographie infrarouge. Cette estimation paramétrique nécessite la connaissance au préalable de la structure géométrique de l’échantillon. Le premier objectif concerne donc l’identification de la structure de l’échantillon testé par la discrimination des différentes phases et interfaces. Une fois la structure de l’échantillon connue, le second objectif est l’identification des paramètres thermiques des différents constituants ainsi que ceux de leurs interfaces. On se propose d’exploiter deux tests spécifiques utilisant le même dispositif expérimental. Deux méthodes mathématiques différentes ont été développées et utilisées pour exploiter les mesures de champ issues du premier test et permettre de retrouver la microstructure de l’échantillon. La première est fondée sur la décomposition en valeurs singulières des données de températures recueillies. Il est montré que cette méthode permet d’obtenir des représentations de la microstructure de très bonne qualité à partir de mesures même fortement bruitées. La seconde méthode permet de raffiner les résultats obtenus à l’aide de la méthode précédente. Elle repose sur la résolution d’un problème d’optimisation sous contraintes en exploitant la technique dite Level-Set pour identifier les frontières des différents constituants de l’échantillon. L’étape d’identification des propriétés thermiques des constituants et des interfaces exploite les mesures de champs issues du second test expérimental. La méthode développée, la SVD-FT combine des techniques de décompositions en valeurs singulières avec desfonctions tests particulières pour dériver des estimateurs linéaires des propriétés recherchées.Cette méthode permet de limiter les effets du bruit de mesure sur la qualité de l’estimation et de s’affranchir des opérations de filtrage des données. / This work reports on the thermal characterization of composites with a complex microstructure. It aims at developping mathematical methods to identify the thermal properties of the constituants and thoses associate at their interfaces. The first step consistsin discriminating the microstructure of the sample to be tested. Then, when the sample structure is known, the second step consists in estimating the thermal parameters of the different phases and those at their interfaces. One experimental device has been set up to realize those two steps. Two mathematical methods have been developped and used to discriminate the microstructure based on the images of the sample recorded bu an infrared camera. The first method is based on the singular value decomposition of the temperature data. It has been shown that this method gives a very good representation of the microstructure even with very noisy data. The second method allows to refine the results obtained by the first one. This method is based on the resolution of an optimization problem under constraints and use a Level-Set technic to identify the boundary of each phase. To estimate the thermal properties of each phase and its interface, the infrared images of the second experiment have been used. The SVD-FT method developed in this work combines the singular values decomposition technic with particular tests functions to derive linear estimat or for the thermal properties. As a result, a significant amplification of the signal/noise ratios is reached.

L'objectif ultime de ce travail de thèse consiste à établir un bilan énergétique à l'échelle du grain afin de caractériser et de vérifier la cohérence thermodynamique de modèles de comportement utilisés pour rendre compte du développement de la plasticité cristalline dans les matériaux métalliques. La première partie de ce travail a consisté à mettre en place un protocole d'élaboration du matériau permettant d'obtenir la microstructure souhaitée, compatible avec des moyens d'observations macroscopiques. Les échantillons d'aluminium à très gros grains (centimétriques) ainsi obtenus sont utilisés pour effectuer des essais cycliques durant lesquels les champs cinématiques et thermiques sont mesurés au moyen de techniques de Corrélation d'Images Numériques et de Thermographie Infra-rouge. Deux techniques de traitement d'image spécifiques ont été proposées. Elles permettent d'introduire des hypothèses sur les champs cinématiques et thermiques qui soient adaptées à la microstructure (ici continuité intra-granulaire du déplacement, de la température et du flux). Ces méthodes permettent d'accéder à des mesures complètement indépendantes d'un grain à l'autre tout en améliorant la robustesse des méthodes de mesure. Ces méthodes ont été validées numériquement en utilisant des images de synthèse sur lesquelles ont été appliqués des champs hétérogènes. Une campagne d'essais cycliques a enfin été menée sur les multi-cristaux d'aluminium élaborés. Les méthodes développées ont permis d'observer le développement de la plasticité intra-granulaire et le développement de la fissuration inter-granulaire. / The main objective of this PhD thesis is to establish an energy balance at the grain scale in order to assess the thermomechanical consistency of material models used to predict the development of crystal plasticity of metals.The first part of this work consists in setting a protocol allowing the material elaboration with the desired microstructure which is to be compatible with the use of classical macroscopic observation devices. The obtained coarse-grained aluminum samples (with centimeter grains) are used in cyclic tensile tests. During these tests, the kinematic and thermal fields are recorded with Digital Image Correlation and Infra-Red Thermography techniques.Two specific imaging techniques were developed. They allow introducing ad hoc hypotheses (i.e. consistent with microstructure) on the kinematic and the thermal fields. In this work, these hypotheses consist in intra-granular continuity conditions on the displacement, temperature and heat flux fields. These methods give independent measures on each grain while improving the robustness of the measurement methods. These methods were numerically validated using computer-generated images heterogeneously loaded.Cyclic tests were finally performed on the processed aluminum multi-crystals. The developed methods allowed the observation of the development of intra-granular plasticity and the development of inter-granular cracking.