CV Crinière Antoine








Identification des défauts de structures dans des milieux composites
par méthodes thermiques

Crinière Antoine
Stage de Master SDS Mars-Juillet 2011
Sous la direction de :
Laurent Autrique1, Laetitia Perez2, Bertrand Lascoup3

La thermographie est selon l'AFNOR une « technique permettant d'obtenir, au moyen d'un appareillage approprié, l'image thermique d'une scène observée dans un domaine spectral de l'infrarouge ». Plus communément, la thermographie infrarouge est la discipline qui permet de mesurer à distance et sans contact la température d'un objet cible à partir de son rayannemnt infrarouge. Elle est dite active lorsque la cible est soumis à une excitation thermique artificielle (lampe, résistance...). Ce principe est utilisé dans de nombreux domaines, détection de défauts4 , caractérisation de dommages dans un composite aéronautique5, restauration d'œuvre d'art, peinture du XIVème siècle6.
La méthode utilise une source chauffante périodiqueet est dite, thermographie modulée. Elle a récemment été mise en œuvre à des fins d'identification paramétrique7, et une récente application en génie civil fait également l'objet de recherches8.

Ce stage a donné lieu à une étude bibliographique, un rapport, ainsi qu'à une publication aux JNC17 (Journées Nationales des Composites, Poitiers, du 15 au 17 juin 2011).

Sommaire
1. Résumé
2. Présentation
3.Théorie
      3.1 Modèle
      3.2 Longueur de diffusion
      3.3 Mode opératoire
4. Résultats
      4.1 Défaut conducteur
      4.2 Défaut isolant
      4.3 Endomagements
5. Conclusion

Résumé

         Ce projet de recherche a pour but de proposer une méthode permettant la détection de défaut au sein de matériaux composites. En excitant périodiquement une zone restreinte de la surface du matériau, on peut dès lors observer le déphasage de l'onde thermique résultante par rapport au signal de référence.Un défaut est considéré comme une modification significative du comportement "de référence" du matériau. L'avantage de ce type de méthode reside en la faible énergie délivrée à l'échantillon Mettant en œuvre le modèle mathématique satisfait par la température complexe, une étude de faisabilité numérique a été réalisée. Basée sur une analyse de sensibilité, celle ci a permis de mettre en évidence l'influence de la profondeur du défaut, de sa nature, de sa distance à la source chauffante. Afin de prouver la validité du modèle, une campagne expérimentale a été réalisée. Premièrement des défauts conducteur et isolant ont été inclus dans l'épaisseur médiane d'une matrice carbone-Époxy, cette première étude à permis d'évaluer la faisabilité de la méthode. Deuxièmement des défauts d'endommagement, fissures, délaminage et écrasement, ont été réalisés sur des échantillons de Carbonne-Époxy. Enfin les perspectives de cette méthode sont exposées.

Présentation

          Dit « lock-in thermography », le principe consiste a appliquer un flux de chaleur périodique sur l'échantillon et d'analyser l'onde thermique générée par cette chauffe modulée. Il s'agit d'étudier les distributions spatiales de module (amplitude) et de déphasage (entre le flux d'entrée et la température du matériau) de l'onde, afin d'identifier les propriétés du matériau et/ou de détecter les éventuels défauts du matériau. (Fig. 1)

Fig. 1

Théorie

 Modèle

     Considérons la géométrie tridimensionnelle (Fig. 2) correspondante à un échantillon   \Omega , plan, d'épaisseur \textup{e} , où \textup{X} est la variable d'espace, \textup{X} \textup{=(x,y,z)} \in \Omega \in \mathbb{R} ^{\tiny{3}} et T \in t le temps. \partial{\Omega} est la frontière de \Omega . La température initiale \theta _{amb} est celle, homogène, du milieu environnant. L'accroissement, par rapport à cet état initial, de la température à l'instant t \in T et en chaque point \textup{X} \in \Omega lorsqu'une des frontières \Gamma \subset \partial{\Omega} est soumise à une excitation périodique \Phi \textup{(X,t)}, est notée \theta _{o} (X,t) et régie par le système d'équations aux dérivées partielles (EDP) suivant :

Fig. 2

          Où \small{\textup{Cp}} est la chaleur volumique , \lambda la conductivité thermique , \vec{n} le vecteur normal extérieur à la frontière et \textup{h} le coefficient d'échange convectif . Lorsqu'un milieu est soumis à une excitation périodique, sa température après une période transitoire tend vers un régime périodique. Aussi, en régime établi l'onde thermique en chaque point est caractérisée par une amplitude de l'oscillation (module) et un retard par rapport à un signal de référence (déphasage) (Fig. 1). Introduisant la notion de température complexe (Annexe1) le modele ne dépend plus du temps, ce qui réduit considérablement les temps de calcul lors de la résolution numérique (à l'aide d'un code aux éléments finis), COMSOL interfacé MatLab.

 Longueur de diffusion

          Afin d'obtenir des données fiables, il est important d'estimer la longueur de diffusion (video) en qui informe sur la portée de l'onde thermique dans l'échantillon : \mu = \sqrt{\alpha\slash{\pi f}} avec \alpha = \lambda \slash \rho C la diffusivité thermique \tiny{[m ^{\tiny{2}}.s ^{\tiny{-1}}]} et la fréquence . Il est admis que l'onde thermique est atténuée de 95% lorsqu'elle a parcouru 3 \mu dans le matériau, il est donc recommandé, dans notre cas, de diagnostiquer des matériaux d'une épaisseur \mu \approx \textup{e} .

Effet de la longueur de diffusion

 Mode opératoire

         lorsque le module est faible, les valeurs de déphasage doivent être considérées avec circonspection. Si les défauts du matériau ne sont pas visibles directement sur les cartographies, il peut s'avérer nécessaire de faire la différence entre les cartographies de référence (matériau sain) et les cartographies « défectueuses ». Les résultats de cette opération sont présentés dans la partie suivante.

Résultats

         Dans cette section sont présentés les résultats expérimentaux de cette étude. Lorsque le module est trop faible seul le bruit est mesuré, et on définit donc un seuil (0.2 °C) en dessous duquel on « tronque » la cartographie du déphasage. Cela réduit la zone d'investigation.

 Défaut conducteur

         Ci-dessous les résultats correspondent à la détection du défaut carré (plaque d'aluminium de 1cm de coté et de 20 microns d'épaisseur) dans le matériau orthotrope (fibres carbone dans résine époxy). Il est important de noter que le défaut est ici particulièrement fin, il peut donc nous donner une indication sur la résolution de la méthode. La fréquence d'excitation est de 0.089 Hz et le rayon de chauffe est d'environ 3.6 mm. La puissance de l'ampoule est de 300 W.

Difference de cartographie de module et de déphasage pour un défaut conducteur

Lorsque l'on considère la différence de cartographie alors le défaut apparait. La méthode est donc sensible aux défauts conducteur de faible épaisseur (ici 20 microns), nous pouvons donc être optimiste quand à la détection de délaminage, faiblement épais, faiblement conducteur mais bon diffuseur.

 Défaut isolant

          Détecter une inclusion isolante dans une matrice isolante n'est pas chose aisée, même numériquement. Il s'agit de faire un compromis entre les fréquences faibles qui permettent de traverser des matériaux isolants mais pour lesquelles le déphasage n'est plus significatif, et les fréquences élevées qui font apparaitre des contrastes de déphasage plus importants (mais ne permettent pas une grande longueur de diffusion). Ci-après les résultats correspondent à la détection du défaut carré (plaque de téflon de 1cm de coté et de 0.2 mm d'épaisseur) dans le matériau orthotrope (fibres carbone dans résine époxy). La fréquence d'excitation est de 0.18 Hz et le rayon de chauffe est d'environ 3.6 mm. La puissance de l'ampoule est de 300 W

Difference de cartographie de module et de déphasage pour un défaut isolant

 Défauts d'endomagements

         Au cours de sa vie un matériau composite est amené à subir des efforts importants, traction pression etc... Ces efforts induisent des défauts caractéristiques, fissures, délaminages, écrasements. Pour tester notre méthode quatre échantillons on été endommagés.
Quatre expériences ont été réalisées sur ces échantillons. Une fissure transversale et une longitudinale ont été étudiées ainsi qu'un délaminage et un écrasement. La caractéristique commune aux fissures et aux délaminages est une concentration anormale d'air dans certaines parties de l'échantillon. L'air, bien qu'ayant une conductivité thermique faible, dispose d'une capacité de diffusion équivalente à celle des aciers. La résolution de la méthode en épaisseur est de 20 microns pour le défaut de type aluminium dans un matériau isolant, on peut légitimement espérer détecter des défauts de délaminages qui ont le même ordre de grandeur.
Notre matériau étant unidirectionnel, les fibres sont orientées dans une seule direction, il est intéressant de distinguer deux type de fissures, une dans le sens des fibres (longitudinale) l'autre dans le sens transverse. Ci-après les résultats correspondent aux défauts d'endommagements dans le matériau orthotrope (fibres carbone dans résine époxy). La fréquence d'excitation est de 0.1 Hz et le rayon de chauffe est d'environ 3.6 mm. La puissance de l'ampoule est de 300 W. Les Cartographies suivantes montrent les différences de modules et de déphasages.

Échantillons endomagés

Difference de cartographie de module et de déphasage pour une fissure longitudinale

Difference de cartographie de module et de déphasage pour une fissure transversale

Difference de cartographie de module et de déphasage pour un délaminage

Difference de cartographie de module et de déphasage pour un écrasement

         Pour l'ensemble des défauts précédents, les cartographies de déphasages révèlent la présence d'un défaut d'endommagement. Ces dernières expériences rendent la méthode très attractive d'un point de vue industriel.

Conclusion

         Dans un premier temps la pertinence de cette méthode a été établie dans le cadre de défauts simulés. La méthode n'entraîne aucune détérioration de l'échantillon testée. La seconde partie de la campagne expérimentale a été consacrée à l'étude de défauts issus d'endommagements naturels : fissures, écrasements, délaminages. Encore une fois, la faisabilité de méthode de détection de tels défauts, a été prouvée. Par la suite il serait intéressant de tester des défauts dus à un impact, ces défauts regroupent en un espace limitée des fissures, délaminages et écrasements, défauts détectables grâce à la thermographie modulée. Une fois détecté les défauts doivent être caractérisés. Pour ce faire une méthode inverse doit être mise en œuvre. Celle ci devra se baser sur les différences de cartographies de module et de déphasage afin, par une procédure itérative (de type Levenberg-Marquardt par exemple), de minimiser un critère quadratique (minimisation par erreur de sortie). Enfin la conception optimale de l'expérience (balayage spatial) et ce jusqu'à l'automatisation d'un banc de détection assurera la localisation du défaut.

Annexes

Annexe1 Notion de température complexe

[1 ]: Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes Automatisés, ISTIA,
62 avenue notre dame du lac, 49000 Angers, France
laurent.autrique@univ-angers.fr

[2] : Laboratoire de Thermocinétique de Nantes - UMR CNRS 6607, rue Christian Pauc,
BP 50609, 44 306 Nantes Cedex 03, France laetitia.perez@univ-nantes.fr

[3]: ESTACA Campus ouest, Laboratoire Structure et Matériaux,
Rue Georges Charpak, 53000 Laval, France bertrand.lascoup@estaca.fr

[4] M. ISHIKAWA, H. HATTAL, Y. HABUKA, S. JINNAI, S. UTSUNOMIYA, K. GOTO, « Pulse-phase-thermographic non-destructive testing for CRFP specimen ». 14th European Conf. on composite materials, Budapest, Hungary, 7-10 June 2010.

[5] S.A. GRAMMATIKOS, E.Z. KORDATOS, N.M. BARKOULA, T. MATIKAS, A. PAIPETIS, « Innovative non-destructive evaluation and damage characterization of composite aerostructures ». 14th European Conf. on composite materials, Budapest, Hungary, 7-10 June 2010.

[6] J.C. CANDORE, G. SZATANIK , J.L. BODNAR, V. DETALLE , P. GROSSEL, « Infra-red photothermal thermography : A tool of assistance for the restoration of murals paintings ? ». Actes du congrès QIRT2006, Padoue (Italie), Article 37 (cd), 28 au 30 juin 2006.

[7] L. PEREZ, L. AUTRIQUE, « Robust determination of thermal diffusivity values from periodic heating data ». Inverse Problems IOP journal, 25-4, pp. 45011-45031, 2009.

[8] J. DUMOULIN, V. FEUILLET, M. MARCHETTI, T. SAUVAGNAT, L. IBOS, A. MAZIOUD, «Evaluation de méthodes de détection de défauts par thermographie infrarouge active dans des échantillons d'enrobés bitumineux». Congrès national de la Société Française de Thermique, golfe du Morbihan, Vannes, mai 2009.

Créée le 1/07/2011 par Antoine Criniere
Étudiant EI5/Master2 SDS 2010/2011