Soutenance mémoire
Matériaux et structures intelligents
Les premières civilisations se sont construites grâce à des matériaux naturels : le bois, la pierre, le cuir, l’os, etc. Nous avons ensuite connu l’émergence de l’acier, des matières plastiques, et plus récemment, des matériaux composites. Progressivement, les chercheurs et les ingénieurs ont eu le besoin d’utiliser des matériaux comportant eux-mêmes leurs propres fonctions (De Rosnay 1984). C’est l’avènement des matériaux intelligents. Né au début des années 1980 de travaux menés aux États-Unis dans le domaine aérospatial, ce concept est de nos jours l’une des forces motrices de l’innovation dans des domaines, tels que le génie civil, l’aéronautique et l’aérospatial.
Matériaux intelligents
Un matériau intelligent a la capacité de modifier spontanément ses propriétés physiques, par exemple : sa forme, son élasticité, sa conductivité, en réponse aux stimuli et aux changements venant de l’extérieur ou de l’intérieur du matériau : variations de température, contraintes mécaniques, champ électrique ou magnétique (Akhras 2012). Un matériau intelligent possède des fonctions qui lui permettent de se comporter comme un capteur (réagir à son environnement), ou un actionneur (effectuer une action sur son environnement). Le développement de ces matériaux n’aurait jamais atteint des percées techniques sans les travaux de chercheurs, appartenant à différents domaines des sciences, et nous sommes redevables à la Chimie dans l’étude des matériaux intelligents au niveau cristallin.
Il existe de nombreuses catégories de matériaux intelligents, parmi lesquelles :
• Piézoélectrique: lorsqu’il est soumis à une variation de tension, un matériau piézoélectrique subit une déformation mécanique (effet inverse), et vice versa (Brissaud 2007).
• Electrostrictif: ce matériau a les mêmes propriétés qu’un matériau piézoélectrique, mais la transformation mécanique est proportionnelle au carré du champ électrique (Brissaud 2007).
• Magnétostrictif : soumis à une variation du champ magnétique, des échantillons de certaines substances subissent une modification d’un paramètre mécanique, tel que la dilatation, la contraction, la flexion, la torsion, et même la variation du module de Young de ces échantillons (Lemistre and Balageas 2002). Il existe l’effet inverse, où l’application d’un champ magnétique (ou la variation de ce champ) produit une modification d’un paramètre mécanique, et l’effet direct, où la variation d’un paramètre mécanique produit une modification de son aimantation (Hartemann 2012).
Parmi les matériaux magnétostrictifs utilisés, nous pouvons citer : le nickel polycristallin, les alliages fer-nickel, les ferrites et les composés terres rares-fer.
• Alliage à mémoire de forme : quand un métal ou un alliage est soumis à une contrainte mécanique supérieure à sa limite d’élasticité, il subit une déformation plastique qui subsiste après cessation de la contrainte (Guénin 2012). Cette déformation n’évolue ensuite pas ou très peu lors de traitements thermiques. Les alliages à mémoire échappent à ce comportement : un échantillon d’un tel alliage, déformé de façon plastique à une température donnée, peut récupérer intégralement sa forme initiale par simple chauffage. Ce phénomène est appelé mémoire de forme. Il existe de nombreux alliages présentant l’effet mémoire de forme, citons à titre d’exemple : les alliages à base de cuivre, les alliages à base de fer et les alliages à base de titane et nickel.
• Capteur à fibres optiques : selon l’organisme français (AFNOR 1999), un capteur à fibres optiques est un dispositif dans lequel l’information est créée dans le chemin optique par réaction de la lumière à une grandeur, cette information est ensuite transmise au récepteur optique par l’intermédiaire d’une ou de plusieurs fibres optiques. La grandeur mesurée peut être par exemple une déformation, une température, une pression ou un champ magnétique (Grattan and Sun 2000).
Structures intelligentes
Par définition, une structure intelligente que nous noterons tout au long de ce mémoire » SI » est un ensemble formé de trois entités (figure 1.1) : une structure mécanique hôte, des matériaux intelligents collés ou noyés sur cette dernière, et une unité de commande pour piloter ces matériaux en mode actionneur et traiter les mesures prises à partir de ces matériaux en mode capteur (en réponse au comportement de la structure hôte). Les structures intelligentes sont conçues pour imiter, dans une certaine mesure, les systèmes biologiques (Balageas 2006). Les enjeux visés par le scientifique lors du développement d’une structure intelligente sont considérables (figure 1.2) : reconfigurer la forme de la structure, contrôler les vibrations de la structure (Mechbal et al. 2006), surveiller l’état de santé de la structure et autoréparer la structure (Balageas et al. 2010).
Matériaux composites dans l’industrie aéronautique
Depuis quelques années, la course à la production de véhicules plus légers, et par conséquent moins consommateurs d’énergie, a conduit les industriels de l’aéronautique et de l’automobile à largement utiliser les matériaux composites, à cause de leurs propriétés de légèreté et de résistance spécifique. Au niveau de la fabrication, un matériau composite est une combinaison de deux éléments distincts que l’on appelle : la matrice et le renfort. Le nouveau matériau ainsi constitué possède des propriétés mécaniques que les éléments seuls ne possèdent pas (Gay 2005). La matrice a pour rôle de fournir une certaine cohésion entre les différents éléments du renfort, et joue ainsi le rôle de » ciment « . Par contre, les propriétés mécaniques du matériau composite sont conditionnées par celles du renfort.
Les matrices peuvent être constituées par de nombreux produits (Gay 2005) :
➤ Matrices polymères : résine époxyde, polyesters, etc.
➤ Matrices minérales : carbure de silicium, carbone, etc.
➤ Matrices métalliques : alliages d’aluminium, de titane, etc.
Quant aux renforts, ils peuvent s’utiliser sous différentes formes, par exemple : en fibres longues, en fibres courtes, en sphères, et en tissu de fibres. La nature principale de ces fibres est le : verre, kevlar, carbone, bore, carbure de silicium. Au niveau de l’assemblage, un matériau composite est un stratifié, composé d’un ensemble ordonné de couches, d’orientation et d’épaisseur bien déterminées (figure 1.3). Une couche de ce stratifié est souvent appelée pli ou strate (Cugnoni 2004). Le type de stratifié est défini généralement par sa séquence d’empilement, par exemple, un stratifié de type (90°, 0°) 2s est constitué de 8 plis orientés comme suit : deux groupes de plis à 90° et 0°, puis par symétrie de deux groupes de plis à 0° et 90. Les composites stratifiés permettent de créer des matériaux aux propriétés mécaniques optimales, répondant mieux aux sollicitations de la structure.
Dans l’industrie aéronautique, les matériaux composites sont apparus pour la première fois en 1944, sur le fuselage du Vultee BT-15 (Baker et al. 2003). Depuis, leur utilisation ne cesse de croître et devient un véritable enjeu pour les avionneurs. L’A380 d’Airbus comporte aujourd’hui près de 25% de la masse en matériaux composites (figure 1.4). Les matériaux composites représenteront 40% de la masse de l’AIRBUS A350 (Ye et al. 2005). La compagnie Boeing annonce que 50% de la structure primaire (incluant fuselage et ailes) du 787 Dreamliner sera réalisée en matériaux composites.
Endommagements rencontrés dans les matériaux composites
Les excellentes caractéristiques des matériaux composites leurs confèrent légèreté, rigidité, et une exceptionnelle résistance à la fatigue dans des conditions environnementales » standard « . Cependant, leurs performances se dégradent en présence d’environnements agressifs, susceptibles de dégrader leurs durabilités et leurs propriétés mécaniques. Nous pouvons classer les mécanismes de dégradation en deux grandes familles : vieillissement et endommagements » impacts, fatigue mécanique » (Beaumont et al. 2006). Le vieillissement résulte de l’action combinée de la température, de l’humidité, et de la pression de l’environnement.
Les impacts sont provoqués par des chocs balistiques (par exemple des collisions en vol avec des oiseaux), ou des chocs à basse vitesse (par exemple chute d’objets lors de la maintenance) (Staszewski 2002).
Quant à la fatigue mécanique, elle se manifeste lorsque la structure est soumise à des sollicitations cycliques, ces dernières modifient avec le temps les propriétés mécaniques du matériau composite et peuvent entraîner l’apparition d’un endommagement.
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Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
PRÉSENTATION DU PROJET MSIE
OBJECTIFS DU PROJET MSIE
OBJECTIFS DE LA THÈSE
CHAPITRE 1 ETAT DE L’ART SUR LE CONTRÔLE SANTÉ DES STRUCTURES : ENJEUX ET TECHNIQUES
1.1 MATÉRIAUX ET STRUCTURES INTELLIGENTS
1.1.1 MATÉRIAUX INTELLIGENTS
1.1.2 STRUCTURES INTELLIGENTES
1.2 MATÉRIAUX COMPOSITES DANS L’INDUSTRIE AÉRONAUTIQUE
1.3 ENDOMMAGEMENTS RENCONTRÉS DANS LES MATÉRIAUX COMPOSITES
1.4 CONTRÔLE SANTÉ DES STRUCTURES (SHM)
1.4.1 DÉFINITION
1.4.2 MOTIVATIONS ET ENJEUX
1.5 TERMINOLOGIE
1.6 PRINCIPE DU CONTRÔLE SANTÉ DES STRUCTURES
1.7 CAPTEURS/ACTIONNEURS UTILISÉS DANS LE SHM
1.7.1 MATÉRIAUX PIÉZOÉLECTRIQUES POUR LE SHM
1.7.2 RELATIONS FONDAMENTALES DE LA PIÉZOÉLECTRICITÉ
1.7.3 DÉVELOPPEMENT TECHNOLOGIQUE
1.8 ETAT DE L’ART SUR LA DÉTECTION DE L’ENDOMMAGEMENT
1.8.1 MÉTHODES GLOBALES/LOCALES
1.8.2 APPROCHES UTILISÉES POUR LA DÉTECTION DE L’ENDOMMAGEMENT
1.8.3 MÉTHODES DE DÉTECTION À BASE DE MODÈLE MÉCANIQUE
1.8.4 DÉTECTION DE L’ENDOMMAGEMENT SANS MODÈLE MÉCANIQUE
1.8.4.1 Traitement individuel des informations
1.8.4.2 Quelques rappels de la théorie du signal
1.8.4.3 Résidus indicateurs d’endommagement (DI)
1.8.4.4 Traitement multivarié de l’information : séparation aveugle de sources
1.9 CONCLUSION
CHAPITRE 2 DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX
2.1 DISPOSITIFS EXPÉRIMENTAUX
2.1.1 PRÉSENTATION DES PLAQUES COMPOSITES
2.1.1.1 Traitement des mesures
2.1.1.2 Identification des paramètres modaux de la plaque saine et de la plaque endommagée
2.1.1.3 Endommagement du capteur
2.1.1.4 Etude du bruit de mesure
2.1.2 PRÉSENTATION DES STRUCTURES COMPOSITES ANTENNAIRES
2.1.2.1 Objectifs visés
2.1.2.2 Identification des paramètres modaux de la lame antennaire
2.2 MODÉLISATION
2.2.1 MODÈLES STRUCTURAUX
2.2.1.1 Modèle structural nodal
2.2.1.2 Modèle structural modal
2.2.1.3 Représentation d’état
2.2.2 PLACEMENT DES ÉLÉMENTS PIÉZOÉLECTRIQUES
2.2.2.1 Grammien de gouvernabilité et d’observabilité
2.2.2.2 Expression de l’énergie d’entrée et de sortie
2.2.2.3 Indice de placement
2.2.2.4 Stratégie de placement
2.2.3 APPLICATION À LA PLAQUE COMPOSITE
2.3 CONCLUSION
CHAPITRE 3 SÉPARATION AVEUGLE DE SOURCES
3.1 HISTORIQUE DE LA SÉPARATION AVEUGLE DE SOURCES
3.2 APPLICATION DE LA SÉPARATION AVEUGLE DE SOURCES
3.3 MODÈLE DE LA SAS
3.3.1 MODÈLE DE MÉLANGE
3.3.2 INDÉTERMINATION DU MODÈLE SAS
3.3.3 MODÈLE DE SÉPARATION
3.4 MÉTHODES DE SÉPARATION DE SOURCES
3.5 ANALYSE EN COMPOSANTES INDÉPENDANTES
3.6 MESURES DE GAUSSIANITÉ ET D’INDÉPENDANCE STATISTIQUE
3.6.1 MESURE DE GAUSSIANITÉ
3.6.2 MESURE D’INDÉPENDANCE STATISTIQUE EN PROBABILITÉ
3.6.2.1 Divergence de Kullback-Leibler
3.6.2.2 Information mutuelle
3.7 SÉPARATION DE SOURCES
3.7.1 SOURCES GAUSSIENNES ET IID : ANALYSE EN COMPOSANTES PRINCIPALES
3.7.2 SOURCES NON GAUSSIENNES ET IID: ANALYSE EN COMPOSANTES INDÉPENDANTES
3.7.2.1 Etude statistique du bruit mesuré
3.7.2.2 Séparation par la méthode ACI
3.7.2.3 Algorithme du point fixe pour l’extraction des sources par la méthode ACI
3.8 EXEMPLE DE SÉPARATION PAR ACP ET ACI
3.9 LIEN ENTRE LA SAS ET LA MÉCANIQUE
3.10 CONCLUSIONS
CONCLUSION GÉNÉRALE
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