Contribution au traitement du signal pour le contrôle de santé in situ de structures composites (application au suivi de température et à l'analyse des signaux d'émission acoustique)

摘要

Le contrôle de santé structural ou Structural Health Monitoring (SHM) des matériaux constitue une démarche fondamentale pour la maîtrise de la durabilité et de la fiabilité des structures en service. Au-delà des enjeux industriels et humains qui ne cessent de s accroître en termes de sécurité et de fiabilité, le contrôle de santé doit faire face à des exigences de plus en plus élaborées. Les nouvelles stratégies de contrôle de santé doivent non seulement détecter et identifier l endommagement mais aussi quantifier les différents phénomènes qui en sont responsables. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire d accéder à une meilleure connaissance des processus d endommagement. Par ailleurs, ceux-ci surviennent fréquemment sous l effet de sollicitations mécaniques et environnementales. Ainsi, il est indispensable, d une part, d élaborer des méthodes de traitement des signaux permettant d estimer les effets des conditions environnementales et opérationnelles, dans un contexte de l analyse des événements précurseurs des mécanismes d endommagement, et, d autre part, de définir les descripteurs d endommagement les plus adaptés à cette analyse. Cette étude propose donc des méthodes de traitement du signal permettant d atteindre cet objectif, dans un premier temps, pour l estimation des effets externes sur les ondes multidiffusées dans un contexte de contrôle de santé actif et, dans un second temps, pour l extraction d un indicateur d endommagement à partir de l analyse des signaux d émission acoustique dans un contexte de contrôle de santé passif. Dans la première partie de ce travail, quatre méthodes de traitement du signal sont proposées. Celles-ci permettent de prendre en compte les variations des conditions environnementales dans la structure, qui dans le cadre de cette thèse, se sont limitées au cas particulier du changement de la température. En effet, les variations de température ont pour effet de modifier les propriétés mécaniques du matériau et par conséquent la vitesse de propagation des ondes ultrasonores. Ce phénomène entraîne alors une dilatation temporelle des signaux acoustiques qu il convient d estimer afin de suivre les variations de température. Quatre estimateurs de coefficients de dilatation sont alors étudiés : Il s agit de l intercorrélation à fenêtre glissante, utilisée comme méthode de référence, la méthode du stretching, l estimateur à variance minimale et la transformée exponentielle. Les deux premières méthodes ont été déjà validées dans la littérature alors que les deux dernières ont été développées spécifiquement dans le cadre de cette étude. Par la suite, une évaluation statistique de la qualité des estimations est menée grâce à des simulations de Monte-Carlo utilisant des signaux de synthèse. Ces signaux sont basés sur un modèle de signal multidiffusé prenant en compte l influence de la température. Une estimation sommaire de la complexité algorithmique des méthodes de traitement du signal complète également cette phase d évaluation. Enfin, la validation expérimentale des méthodes d estimation est réalisée sur deux types de matériaux : Tout d abord, dans une plaque d aluminium, milieu homogène dont les caractéristiques sont connues, puis, dans un second temps dans un milieu fortement hétérogène prenant la forme d une plaque composite en verre/epoxy. Dans ces expériences, les plaques sont soumises à différentes températures dans un environnement thermique contrôlé. Les estimations de température sont alors confrontées à un modèle analytique décrivant le comportement du matériau. La seconde partie de ce travail concerne la caractérisation in situ des mécanismes d endommagement par émission acoustique dans des matériaux hétérogènes. Les sources d émission acoustique génèrent des signaux non stationnaires...