Cette thèse s'est déroulée dans le contexte de l'évaluation non destructive du collage de patches composites employés pour la réparation de structures aéronautiques. Le besoin a été exprimé par la DGA Techniques Aéronautiques (Toulouse). Le travail effectué a consisté en l'exploitation des ondes guidées, de type SH puis Lamb, pour mesurer des caractéristiques mécaniques d'un joint de colle et tenter d'évaluer, de manière non destructive, la qualité du collage. Dans un premier temps, les propriétés viscoélastiques des matériaux assemblés sont déterminées. Elles servent alors de données d'entrée à des modèles, basés sur la méthode SAFE (Semi Analytical Finite Element method), permettant d'obtenir les courbes de dispersion ainsi que les champs des différents modes guidés se propageant le long de l'assemblage collé. Ces simulations numériques permettent alors d'évaluer le potentiel des ondes guidées à caractériser un adhésif. Des mesures expérimentales sont ensuite menées pour confirmer les prédictions numériques. Finalement la résolution d'un problème inverse, qui consiste à évaluer les modules de rigidité de la couche de colle se situant entre une plaque d'aluminium et un patch, est proposée pour établir des pistes d'évaluation non destructive d'un collage répondant au besoin industriel. Cette étude a été financée par la DGA, France.

Les composants aéronautiques sont soumis en service à des sollicitations mécaniques donnant lieu à des états de contraintes multiaxiaux et à amplitude variable provocant un phénomène d'endommagement par fatigue. Une alternative à la réparation de ces structures consiste à les renforcer préventivement, avant que la fissure ne soit apparue. Le contexte de ce travail s'inscrit donc dans le cadre du renforcement préventif de structures par patchs composites afin de retarder l'apparition de fissures. Des essais de fatigue sur éprouvettes en aluminium 2024-T3 renforcées sont menés pour observer et quantifier l'aspect bénéfique du renforcement en termes de durée de vie. Une méthodologie de dimensionnement en fatigue sous sollicitations de service est également proposée. Parallèlement, la mesure d'échauffement par caméra infrarouge est utilisée pour aider à comprendre le processus d'endommagement et de cumul de dommage propres à cet alliage.

Des patchs en matériaux composites sont classiquement utilisés dans l'aéronautique pour la réparation des structures métalliques présentant des dommages de<br />type fissures, criques ou impacts. Une alternative à la réparation de ces structures consiste à les renforcer préventivement, avant que les défauts n'apparaissent. Le<br />contexte de ce travail est celui de la maintenance préventive de structures métalliques aéronautiques par renforts composites, dans le but de retarder l'apparition ou la propagation de fissures.<br />La conception des renforts nécessite l'utilisation d'outils spécialisés pour définir les caractéristiques optimales du patch : géométrie, nombre de plis unidirectionnels,<br />orientation des plis les uns par rapport aux autres, positionnement autour de la zone à soulager... Pour cela, un programme d'optimisation de patchs par algorithme<br />génétique a été écrit. Il est couplé à un logiciel de calcul par éléments finis : Ansys.<br />L'algorithme génétique mis en oeuvre a permis de déterminer des caractéristiques de patchs dont la géométrie extérieure est définie par une courbe spline fermée, ceci afin de réduire de manière optimale les contraintes mécaniques dans une zone donnée, et<br />ce pour différents types de sollicitations.<br />De nombreuses d´efaillances des assemblages collés patch/substrat sont liées à des concentrations de contraintes dans la colle dues à l'existence d'une zone de<br />transfert progressif d'effort du substrat vers le patch. Des approches unidirectionnelles du transfert d'effort sont classiquement utilisées dans la littérature. Elles ne<br />tiennent cependant pas compte d'effets bidimensionnels comme la différence des coefficients de Poisson qui peut exister entre le substrat et le composite. A partir des<br />équations d'équilibre, des modèles analytique et numérique bidimensionnels ont donc été développés. Des phénomènes de couplages bidimensionnels ont ainsi bien été mis en évidence.<br />Parallèlement, des essais de traction uniaxiale ont été réalisés sur des éprouvettes en aluminium renforcées par des patchs en carbone/époxyde. La méthode de la grille a été utilisée pour mesurer des champs cinématiques en surface du patch composite.<br />Cette méthode a permis d'étudier expérimentalement le transfert des efforts entre le substrat et le renfort suivant les deux dimensions du problème et de comparer les résultats obtenus avec les différents modèles développés au préalable.

Cette thèse s’est déroulée dans le contexte de l’évaluation non destructive du collage de patches composites employés pour la réparation de structures aéronautiques. Le besoin a été exprimé par la DGA Techniques Aéronautiques (Toulouse). Le travail effectué a consisté en l’exploitation des ondes guidées, de type SH puis Lamb, pour mesurer des caractéristiques mécaniques d'un joint de colle et tenter d’évaluer, de manière non destructive, la qualité du collage. Dans un premier temps, les propriétés viscoélastiques des matériaux assemblés sont déterminées. Elles servent alors de données d’entrée à des modèles, basés sur la méthode SAFE (Semi Analytical Finite Element method), permettant d’obtenir les courbes de dispersion ainsi que les champs des différents modes guidés se propageant le long de l’assemblage collé. Ces simulations numériques permettent alors d’évaluer le potentiel des ondes guidées à caractériser un adhésif. Des mesures expérimentales sont ensuite menées pour confirmer les prédictions numériques. Finalement la résolution d’un problème inverse, qui consiste à évaluer les modules de rigidité de la couche de colle se situant entre une plaque d’aluminium et un patch, est proposée pour établir des pistes d’évaluation non destructive d’un collage répondant au besoin industriel. Cette étude a été financée par la DGA, France. / Repairing of metallic structures using composite patches bonded with an adhesive layer is more and more common in the aeronautic field, and particularly at DGA Techniques Aéronautiques. In order to guarantee the quality of this bond, the sensitivity of ultrasonic guided waves is investigated. Shear-horizontally polarized (SH) waves, and Lamb waves are investigated to infer the stiffness of the adhesive layer. The SAFE method is used to predict the dispersion curves and mode shapes of the different wave modes propagating along the three-layer assembly. Numerical simulations are run for selecting the most appropriate wave modes, i.e. with higher sensitivity to the stiffness of the bond than to other components properties. Experiments are also made for generating-detecting pre-selected SH or Lamb wave modes in order to confirm the numerical predictions. Finally the resolution of an inverse problem, consisting in the evaluation of the stiffness modulus of the bond layer between an aluminium plate and a carbon-epoxy composite patch, at different curing time, is proposed as a contribution to the establishment of possible strategies for bonds testing. This work was supported by DGA, France.