Propagation des ondes de Lamb dans des structures composites en présence de délaminage générés par LASER : simulation et expérimentations

This dissertation addresses structural health monitoring (SHM) problematic, related to the use a Lamb wave-based ultrasonic technique for thin-walled structures, particularly focusing on delamination-type damage in composite structure components. The mechanical behavior of the delamination, as well as the interaction between Lamb waves and delamination are addressed.An experimental investigation is conducted employing an SHM system, which is composed of a signal generator, an amplifier, a multiplexer, specimens, a data acquisition system and a computer. The specimens are carbon fiber reinforced polymer laminate plates equipped with piezoelectric transducers (PZT). Sample set including intact and damaged with delaminations of different extent are employed for the experiments. The delaminations are generated using a Laser Shock technique, which can provide specific location and size of the delamination. PZT elements bonded to the structure surface are used as actuator and sensor of the Lamb waves in pitch-and-catch interrogations. Several damage indicators (DI) are implemented and employed to evaluate the severity of the delamination, based on time and frequency domain features. The proposed DIs are employed to evaluate the delamination severity and the nonlinear effects. Results show that the system’s sensitivity to various damage sizes induces different responses depending on DI considered.Finite element modeling of damaged structures includes a layered construction of the composite plates, split in the delamination area. The use of piezoelectric plate elements for the sensors-actuators enables a direct simulation of an SHM interrogation in terms of electric input and output signals.At the stage of delamination interface model parameters analysis, preliminary investigations are conducted on 2D models. Thus, relevant parameter ranges were examined, in terms of physical behaviour, but also in terms of DI. Finally, once those observations transposed to a 3D model, full structure model is built, leading to a comparison to the experimental observation, directly in signals and in terms of various DIs.Cette thèse aborde la problématique de la surveillance de la santé structurelle (SHM), liée à l'utilisation d'une technique ultrasonique basée sur les ondes de Lamb pour les structures à parois minces, en se concentrant particulièrement sur les dommages de type délaminage dans les composants de structures composites. Le comportement mécanique du délaminage, ainsi que l'interaction entre les ondes Lamb et le délaminage sont abordés.Une étude expérimentale est menée à l'aide d'un système SHM, composé d'un générateur de signaux, d'un amplificateur, d'un multiplexeur, de spécimens, d'un système d'acquisition de données et d'un ordinateur. Les spécimens sont des plaques stratifiées en polymère renforcé par fibres de carbone, équipées de transducteurs piézoélectriques (PZT). Des échantillons intacts et endommagés avec des délaminages d'étendue différente sont utilisés pour les expériences. Les délaminages sont générés à l'aide d'une technique de choc laser, permettant de contrôler l'emplacement et la taille spécifiques du délaminage. Des éléments PZT collés à la surface de la structure sont utilisés comme actionneurs et capteurs des ondes de Lamb dans les interrogations de type "pitch-and-catch". Plusieurs indicateurs de dommages (DI) sont mis en œuvre et utilisés pour évaluer la gravité du délaminage, sur la base des caractéristiques dans les domaines temporel et fréquentiel. Les DI proposés sont utilisés pour évaluer la sévérité du délaminage et les effets non linéaires. Les résultats montrent que la sensibilité du système à diverses tailles de dommages induit des réponses différentes selon le DI considéré.La modélisation par éléments finis des structures endommagées comprend une construction en couches des plaques composites, séparées dans la zone de délaminage. L'utilisation d'éléments de plaques piézoélectriques pour les capteurs-actionneurs permet une simulation directe d'une interrogation SHM en termes de signaux électriques d'entrée et de sortie.Au stade de l'analyse des paramètres du modèle d'interface de délaminage, des investigations préliminaires sont menées sur des modèles 2D. Ainsi, des plages de paramètres pertinentes ont été examinées, en termes de comportement physique, mais aussi en termes de DI. Enfin, une fois ces observations transposées sur un modèle 3D, un modèle de structure complet est construit, conduisant à une comparaison avec l'observation expérimentale, directement en termes de signaux et en termes de divers DI