Principe de la simulation
La simulation consiste à calculer les signaux réfléchis ou transmis à partir d’un signal incident. On choisit comme signal incident si(t) un signal réel, on calcule ensuite sa transformée de Fourier (FFT) Si(f) puis celle du signal transmis ou réfléchi, en utilisant la relation appropriée . Enfin, on utilise la transformée inverse pour avoir le signal correspondant sr(t) ou st(t).
Les calculs sont effectués en utilisant des signaux « longs » qui donnent tous les échos possibles en transmission ou réflexion. Ils peuvent aussi être réalisés en « signaux brefs » afin de déterminer un seul des échos. Ensuite on détermine l’évolution de la vitesse de phase et de l’atténuation en fonction de la fréquence. Si le matériau simulé est homogène et de propriétés connues, on peut comparer la grandeur calculée par simulation à celle donnée directement par une relation d’O’Donnel ou de Szabo. Les résultats obtenus par simulation sont théoriquement les mêmes puisque la simulation utilise les propriétés imposées des matériaux. Toutefois, les conditions de calcul peuvent entraîner des différences sensibles . Ces comparaisons permettent donc de constater l’influence de l’échantillonnage, du nombre de points de FFT sur la précision des calculs d’atténuation, en vue des calculs sur des signaux réels.
Enfin, on propose une modélisation d’un composite idéal c’est-à-dire dont la structure est périodique. Les composites réalisés avec des prés imprégnés sont une bonne représentation des milieux stratifiés périodiques. On compare le signal réfléchi réel au signal simulé en donnant aux caractéristiques de la plaque des valeurs précises.
Modélisation d’une plaque composite
La caractérisation du comportement d’une onde plane en incidence normale se propageant dans une structure multicouche est un sujet intéressant. Certains auteurs s’intéressent à la simulation de la réponse électroacoustique du multicouche par la méthode de décomposition en séries de Debye. Dans ce travail de thèse, on s’intéresse à la modélisation du signal se propageant à travers des plaques « pré-imprégnés » réalisés en empilant plusieurs couches identiques contenant les fibres et la résine. Les plis sont distribués de façon quasi périodique. Cette simulation s’applique à la réflexion sur une plaque homogène et à la double transmission à travers cette plaque. Concrètement, la plaque est notée B01 et constitue une référence.
La plaque se compose de 8 plis considérés identiques. Chaque pli comporte trois matériaux d’épaisseur constante : une couche de résine, une couche de fibres imprégnées de résine, une seconde couche de résine identique à la première. Chaque couche admet un quadripôle doté de 4 coefficients A, B, C et D dont la valeur dépend des caractéristiques attribuées au matériau. Un pli est lui aussi représenté par un quadripôle issu du produit des trois précédents. Enfin, la plaque a un quadripôle issu du produit de 8 quadripôles identiques. Le quadripôle de la plaque est calculé pour chaque fréquence et donne la valeur de la réflexion et de la transmission.
Transducteur focalisant
La focalisation d’un transducteur mono-élément est obtenue par ajout d’une lentille acoustique. Pour ce faire, une lame adaptatrice plane peut être collée en premier lieu sur un élément piézo électrique plat, puis la lentille est ajoutée par moulage .
Le calcul de la pression du faisceau émis par un transducteur focalisant peut facilement être réalisé en admettant que la pastille piézoélectrique plane émet (sur une surface limitée) une onde quasi plane. Après la traversée de la lentille concave en plexiglas (rayon de courbure R), les rayons acoustiques sont dirigés vers l’axe Oz de la pastille . La surface de la lentille, découpée en éléments de surface élémentaires, transmet des pinceaux ultrasonores de petite section. La sommation peut être réalisée en tous points de l’axe et proche de celui-ci.
On calcule soit la pression, soit l’intensité proportionnelle au carré de la pression. On définit, autour du point où se situe le maximum de la pression, une zone à -3 db ayant une longueur selon Oz appelée profondeur de champ et selon l’axe Oy, perpendiculaire à l’axe Oz,, un diamètre appelé résolution latérale.
Matériaux composites
Un matériau est dit composite lorsqu’il est constitué de deux ou plusieurs éléments distincts et non-miscibles dont les qualités se combinent en synergie afin d’obtenir des propriétés particulières en réponse à un besoin spécifié. Les matériaux composites CMO contiennent des fibres qui apportent au composite leurs propriétés renforcées et qui assurent la tenue mécanique du composite et une matrice polymère qui sert à lier les fibres du renfort ainsi qu’à répartir les efforts. Des charges et additifs sous forme de poudre ou de liquide peuvent être ajoutés au composite afin de modifier certaines propriétés secondaires.
L’utilisation des matériaux composites est de plus en plus répandue pour la fabrication de structures soumises à de fortes sollicitations mécaniques et qui doivent rester légères. Les matériaux composites carbone/époxy combinent des performances mécaniques élevées pour chacun des composants ainsi qu’une densité faible par rapport aux alliages métalliques. Pourtant, la qualité de fabrication n’est pas encore optimale. La porosité après élaboration est en particulier un des facteurs les plus significatifs qui peuvent dégrader la qualité globale des composites.
Porosité dans les matériaux composites
Porosité : La porosité peut être définie comme l’ensemble des pores d’un matériau. Un pore est une « très petite cavité d’un corps », emprunté au latin « porus » signifiant « conduit, passage» (définition dictionnaire CNRTL). La porosité peut être caractérisée par divers paramètres, l’un des principaux étant la fraction volumique de porosité, ou taux de porosité, et qui correspond au rapport du volume des vides contenus dans le milieu sur le volume total du milieu. La porosité est considérée comme une propriété caractéristique d’un milieu poreux.
Dans un matériau composite, la porosité se présente sous forme de petites cavités emprisonnant en général du gaz. Shoeller a distingué deux types de pores :
Pores ouverts : vides qui communiquent avec l’extérieur. Les pores dits pénétrants relient au moins deux faces du matériau poreux.
Dans le matériau composite, il est nécessaire de distinguer la porosité, des vides de petite taille avec d’autres types de défaut comme les fissures.
Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Propagation ultrasonore en milieu viscoélastique
1.1 Propagation en milieu infini
1.1.1 Notion d’élasticité
1.1.2 Equation de propagation dans le cas d’un matériau viscoélastique isotrope
1.1.3 Atténuation et vitesse de phase des ondes
1.2 Caractérisation en transmission et en réflexion d’une plaque à faces parallèles
1.2.1 Coefficient de réflexion et de transmission aux interfaces fluide/solide et solide/fluide
1.2.2 Mesure de l’atténuation en un point par réflexion
1.2.3 Mesure de l’atténuation par double transmission
1.2.4 Mesure de l’impédance de surface
1.3 Simulation de signaux
1.3.1 Coefficients de transmission et de réflexion d’une plaque viscoélastique
1.3.2 Principe de la simulation
1.3.3 Résultats obtenus avec la plaque plexiglas
1.3.4 Modélisation d’une plaque composite
1.4 Conclusion
Chapitre 2 : Etude des transducteurs
2.1 Etude théorique
2.1.1 Principe de calcul
2.1.2 Transducteur plan
2.1.3 Transducteur focalisant
2.1.4 Transducteur multi éléments
2.1.5 Résultats obtenus
2.2 Etude expérimentale
2.2.2 Mesure de l’atténuation
2.3 Effets de la diffraction
2.4 Conclusion
Chapitre 3 : Plaques carbone-époxy étudiées
3.1 Matériaux composites
3.1.1 Généralités
3.1.2 Application dans l’aéronautique
3.1.3 Les composites à renfort de fibres continues
3.1.4 Mise en œuvre de pré imprégnée
3.1.5 Mise en œuvre par le procédé RTM
3.2 Porosité dans les matériaux composites
3.2.1 Porosité
3.2.2 Les types de défaut dans la plaque composite RTM
3.3 Production de plaques RTM
3.3.1 Matériaux de l’étude
3.3.2 Viscosité
3.3.3 Nombre capillaire
3.3.4 Equipements utilisés
3.4 Conclusion
Chapitre 4 : Cartographie ultrasonore d’une plaque de composite RTM
4.1 Objectifs
4.2 Définition des différents scans
4.2.1 A-scans
4.2.2 B-scans
4.2.3 C-scans
4.3 Cartographie de l’amplitude de l’écho réfléchi par une plaque de composite
4.3.1 Résultats à 15 dB
4.3.2 Résultats à 30 dB
4.4 Cartographie de l’atténuation des ondes ultrasonores par une plaque de composite RTM
4.4.1 Technique expérimentale
4.4.2 Cas de la plaque RTM1012
4.4.3 Cas des plaques RTM11xx
4.4.4 Cartographies des plaques RTM11xx
4.5 Exploitation des résultats
4.5.1 Profils de l’évolution de l’atténuation selon le sens d’injection
4.5.2 Résultats obtenus
4.6 Conclusions
Chapitre 5 : Relation entre porosité et atténuation d’une plaque composite
5.1 Principe de la tomographie rayon X
5.2 Relation entre porosité moyenne et atténuation ultrasonore moyenne mesurée à l’aide transducteurs plans sur des échantillons d’un nombre de plis différents
5.2.1 Mesure de porosité
5.2.2 Mesure de l’atténuation
5.3 Analyse des données de la tomographie X de la plaque RTM1012
5.3.1 Détermination du seuillage de l’image tomographique
5.3.2 Analyses des bulles de l’image tridimensionnelle RTM1012
5.3.3 Conclusion
5.4 Relation entre porosité et atténuation ultrasonore mesurée à l’aide de transducteurs focalisant sur l’échantillon RTM1012
5.4.1 Objectifs
5.4.2 Relation entre porosité et atténuation en fonction de la fréquence
5.5 Relation entre porosité et atténuation en fonction de l’amplitude
5.6 Conclusion
Chapitre 6 : Imagerie 3D des défauts
6.1 Principe
6.2 Mise en œuvre
6.3 Validation de la méthode
6.4 Résultats de la plaque pré imprégnée B01
6.5 Résultats de la plaque RTM1012
6.6 Conclusion
Conclusion et perspectives
Bibliographie
