ECOLE DES MINES DOUAI

MOUBAMOU KEBENO Paul

MICHEL Jean-François

ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

Contrôle de santé des structures : Application à l’aéronautique

Structural Health Monitoring for Aeronautic

Promotion 2018 Année scolaire 2016 / 2017

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REMERCIEMENTS

Nous tenons à remercier notre parrain d’étude bibliographique, Mr CHAKI Salim, enseignantchercheur au Département TPCM, pour son soutien ainsi que pour sa disponibilité.

Nous remercions également l’équipe du centre de documentation, Jean-Loup CORDONNIER etCécile FORT pour leur aide et leurs précieux conseils pour la réalisation de ce travail.

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Sommaire :

1) Résumé......................................................................................................................................................... 7

2) Introduction................................................................................................................................................... 9

3) Le SHM appliqué à différents secteurs d’activité..................................................................................11

3.1) SHM et Génie civil .............................................................................................................................11

3.1) Capteurs à réseaux de Bragg...................................................................................................... 12

3.2) Capteurs à interférométrie............................................................................................................ 12

3.3) Capteurs de distribution................................................................................................................ 13

4) Le SHM et l’aéronautique.........................................................................................................................16

4.1) Les méthodes électriques.................................................................................................................16

4.2) Les méthodes de mesures de contraintes..................................................................................... 18

5) SHM et environnement.............................................................................................................................19

6) SHM et transport........................................................................................................................................20

7) Structural Health Monitoring dans l’aéronautique................................................................................ 21

7.1) Contexte...............................................................................................................................................21

7.2) Les matériaux composites dans l’industrie aéronautique............................................................22

7.3) Comportement des matériaux composites.....................................................................................23

7.4) Les contrôles non-destructifs dans l’aéronautique........................................................................25

7.5 ) Des contrôles non-destructifs au SHM.......................................................................................... 25

8) Les capteurs piézoélectriques appliqués aux matériaux composites dans l’industrieaéronautique................................................................................................................................................... 26

8.1) La piézoélectricité...............................................................................................................................26

8.2) Piezoelectric wafer Active Sensor (PWAS)...................................................................................27

8.2.1) Comportement actif.................................................................................................................... 28

8.2.2) Comportement passif................................................................................................................. 29

8.3) Applications industrielles...................................................................................................................30

8.4) Du capteur PZT en passant par le capteur sans fil , le patch d’enfouissement et lecomposite intelligent.................................................................................................................................. 31

8.4.1) Les capteurs piézoélectriques intégrés à la structure : concept du patchd’enfouissement......................................................................................................................................31

8.4.2) Les capteurs sans fils : utilisation pour le SHM......................................................................33

8.4.3) Les composites intelligents et la peinture piézoélectrique................................................... 33

8.4.4) Les capteurs fibreux................................................................................................................... 34

9) Conclusion générale et perspectives:.................................................................................................... 35

10) Références bibliographiques.................................................................................................................37

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1) Résumé

Le Structural Health Monitoring est une méthode de contrôle “santé” de matériaux (composites,aciers, bétons …) dans le but de caractériser et / ou d’anticiper des endommagements pouvantfragiliser les composants.

Pour ce faire, la méthode repose sur l’exploitation de différentes générations de capteursembarqués dans les structures.

Le but de cette étude bibliographique est de faire un état de l’art du SHM en présentant lesdomaines d’application du SHM dans l’industrie, les différentes technologies de capteursembarqués disponibles sur le marché, les matériaux pouvant accueillir ces types de capteurs et lesendommagements pouvant être décelés par ces capteurs.

Une seconde partie, plus technique, permettra de mettre en évidence la technologie des capteurspiézoélectriques utilisés sur des matériaux composites dans le secteur aéronautique.

Mots clés : capteurs, composite, endommagement, structure, piézoélectricité.

Abstract

Structural Health Monitoring is a method to control the “health” of materials ( composites, steel,concrete...) in order to characterize or anticipate defects that can weaken components.

In order to do so, the method rests on the exploitation of several generations of sensors within thematerial.

The goal of this bibliographical study is to sum up the SHM by presenting its fields of application inthe industry, the several technologies of sensors available on the market, materials able to hostthose kinds of sensors and defects that can be noticed by these sensors.

A second part, more technical, will show the technology of piezoelectric sensors used oncomposite materials in aeronautical field.

Key words : sensors, composite, defects, structure, piezoeletricity.

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2) Introduction

Les systèmes dits SHM (Structural Health Monitoring) sont basés sur les technologies de contrôlenon destructif, ils permettent de prévoir l’usure d’une structure pour éviter les accidents etoptimiser l’existence des produits à moindre coût de maintenance.

Les technologies « SHM » (Structural health monitoring) permettent le maintien dans le temps dela tenue des composants. Elles ont pour objectif principal à certifier la santé des structures, àprolonger leur existence dans le temps, à prévoir leurs défauts et à consolider leurs performances.Le SHM s'inscrit donc dans une stratégie à la fois économique, commerciale et sécuritaire pour lesindustriels.

L'utilisation de ces outils est au centre de la recherche européenne. Ainsi, le projet européenSariatsu (Smart Intelligent Aircraft Structures), doté d'un budget de cinquante millions d'euros de2011 à 2017, a été mis en place pour baisser les coûts du transport aérien et notamment de lamaintenance, par l'intégration dès la conception des futurs appareils de fibres optiques et capteurspiézoélectriques des systèmes SHM [22].

Toutes les recherches sont principalement faites aujourd’hui dans le domaine aéronautique, maisd’autres secteurs profitent de ces avancées, développent même leurs propres solutions :l’énergie, , l’automobile, le transport ferroviaire, l’industrie chimique et la construction navale.

Dans cette étude bibliographique, nous détaillerons les différentes technologies « SHM » dansdivers secteurs industriels avant d’établir un focus sur l’industrie aéronautique et ses capteurspiézoélectriques.

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3) Le SHM appliqué à différents secteurs d’activité

Aujourd’hui, le SHM constitue une nette progression dans son utilisation.

Dans cette première partie de l’étude, nous nous intéresserons aux secteurs du génie civil, del’environnement et de l’aéronautique. Ces secteurs d’activité présentent leurs particularitésnotamment dans les choix de capteurs embarqués pour le contrôle des structures.

Nous détaillerons ces différences en illustrant quelques applications industrielles.

3.1) SHM et Génie civil

Parmi les secteurs dans lequel le SHM est utilisé, le génie civil représente 60 % du marché. Lesstructures y font l'objet de programmes rigoureux d'inspection, de contrôle et de maintenance.Lors de la fabrication des produits, les systèmes SHM peuvent y être intégrés, ou ajoutés aposteriori dans le but d'augmenter leur durée de vie [22].

La motivation est alors à la fois économique et sécuritaire.

La plupart des systèmes SHM utilisés dans ce secteur reposent sur des capteurs à fibre optique.

Ils sont faciles à intégrer et peu coûteux, leurs principaux avantages sont leur insensibilité auxinterférences électromagnétiques, leurs faibles poids, leur résistance à la corrosion et auxagressions chimiques (présence de verre au cœur de la fibre). Ces systèmes, robustes, peuventêtre déportés à quelques kilomètres permettant le contrôle de structures imposantes.

Ils existent plusieurs technologies dans le génie civil. Parmi ces technologies, la plus utilisée estcelle des capteurs à réseaux de Bragg. On effectue des mesures sur plusieurs points de la fibreoptique afin d’identifier d’éventuels endommagements.

Il existe des capteurs à interférométrie apportant une sensibilité de mesure plus large pouvantatteindre quelques mètres.

Enfin, il existe d’autres types de capteurs comme : les capteurs de mesure distribués parrétrodiffusion tout au long de la fibre optique (diffusion Brillouin ou Raman) et les capteurs demodulation d'intensité lumineuse.

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3.1) Capteurs à réseaux de Bragg

On utilise les capteurs à réseaux de Bragg, ou FBG, pour mesurer tout un panel de contraintestels que : la tension, la compression et la vibration.

Les mesures d’acoustiques, d’accélération, de pression, de température, d’humidité et decorrosion, peuvent également être réalisées par ces types de capteurs.

Une fibre à réseau de Bragg est une microstructure crée pour refléter une longueur d’onde delumière [24]. Le capteur à réseau de Bragg fonctionne comme une jauge de contrainte. Lorsqu’onveut surveiller l’état d’une structure on peut mettre en place ce capteur. S’il ya une déformation auniveau de la structure du type étirement ou compression le capteur se modifie. A l’intérieur de lamicrostructure une lumière d’une plage de longueurs d’ondes est transmise par un laser. Desgrilles optiques, situées en plusieurs endroits de la fibre, reflètent ces longueurs d’ondes. Dansnotre cas, comme il y a déformation, ces grilles optiques se décalent et sont transmises au lieud’être réfléchies. Les variations du spectre réfléchi révèlent les modifications de la structure de lafibre, des contraintes exercées et/ou de la température [22].

Figure 1 : Principe des capteurs à réseau de Bragg [26]

Les points de mesure de déformation sont répartis tout au long de la fibre et permettent unedétection précise de la déformation du signal via un multiplexage fréquentiel.

3.2) Capteurs à interférométrie

Pour mesurer les déformations de structures on utilise les capteurs à interférométrie. Ils sontréalisés à partir des modèles d'interférence de Michelson ou de Mach-Zender.

Le principe est simple : une fibre est fixée au support, tandis que l'autre, équivalente, est laisséelibre. La différence de phase, liée au déplacement de la fibre fixée sur la structure, révèle lesdéformations locales. En comparaison à d’autres technologies qui utilisent la fibre optique,l’interférence de Michelson permet des mesures en général de plus haute précision [22].

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Figure 2 : Principe de l’interférence de Michelson [30]

La séparation de l'onde issue de la source S en deux ondes S1 et S2 est réalisée par une couchemétallisée (ab) semi-transparente qui joue le rôle de lame séparatrice. La différence des trajetsoptiques OM1O et OM2O correspond à la différence de marche :d = 2 (OM1-OM2)d = 2 (OM1-OM'2)M'2 étant l'image de M2 dans (ab), on peut ainsi montrer que le phénomène observé est le mêmeque celui qui serait obtenu avec une lame d'air limitée par les deux plans M1 et M'2. [30]

3.3) Capteurs de distribution

Les capteurs continûment distribués reposent essentiellement sur trois phénomènes derétrodiffusion de la lumière : Rayleigh ; Raman et Brillouin.

La rétrodiffusion de Rayleigh est élastique, la fréquence de l'onde réfléchie est identique à celle del'onde incidente.

Pour la diffusion Raman et la diffusion de Brillouin, la fréquence est décalée de l'onde incidente, dufait de la sensibilité aux vibrations moléculaires de la diffusion Raman et de l'excitation par latempérature des fibres de silice, générant des ondes acoustiques pour la vibration de Brillouin.

Dans un cas comme dans l'autre, le décalage de l'onde incidente correspond à des pertes ougains d'énergie.

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Figure 3 : Principe de fonctionnement de la mesure répartie utilisant la rétrodiffusion de Rayleigh[36]

La diffusion de Raman est utilisée uniquement pour la mesure de température, tandis que ladiffusion de Rayleigh est utilisée pour la mesure de déformations structurales rapides.

En raison de la linéarité de relation entre les fréquences de diffusion de Brillouin et les paramètresde température ou de déformation, les capteurs à fibre optique de Brillouin permettent desmesures continues à la fois de contraintes et de températures.

Les capteurs distribués, Brillouin ou Raman, sont principalement utilisés dans de larges structurestelles que les ponts, digues et barrages, ainsi que les exploitations minières en raison de leurscaractéristiques.

Figure 4: Exemples de profil de température mesurés grâce à la rétro-diffusion de Raman :détection de fuite dans un canal à gauche - contrôle de la température dans un câble électrique à

droite [36]

Figure 5 : Principe de la rétro-diffusion Brillouin [36]

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3.4 Capteurs à modulation d'intensité

Hormis les capteurs cités précédemment, d'autres technologies, plus simples, sont égalementproposées en génie civil.

Par exemple, le Groupe Osmos propose la solution de la « Corde Optique » illustré sur la figure ci-dessous. Cette technologie est basée sur le principe de la modulation d’intensité lumineuse parmesure de l’atténuation analogique, elle permet une réponse instantanée du capteur [22].

Le principe physique utilisé consiste à détecter les modifications des propriétés de transmissiondue à la transformation des rapports d’absorption, d’émission et de réfraction de la lumière.

La partie active de ces capteurs (de longueur standard de 2 m) est composée de micro-courbures.Toute déformation structurelle entraine une variation du flux lumineux transmis dans la fibreoptique.

Figure 6 : Cliché d’un capteur de type corde optique [27]

D'autres technologies SHM sont aussi utilisées dans le génie civil, les jauges de déformationélectriques (utilisées depuis plusieurs décennies) et, plus récemment, l'émission acoustique.

L’émission acoustique mesure les ondes émises correspondant à une libération d'énergie due àdes fissures, des déformations. Cette énergie est directement liée aux natures desendommagements en présence.

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4) Le SHM et l’aéronautique

L’aéronautique constitue une filière importante dans l’intégration de capteurs « SHM » au sein deses structures. La deuxième partie de l’étude est consacrée à l’utilisation de capteurspiézoélectriques dans ce secteur d’activité. Nous ne détaillerons, donc, pas les intérêts desconstructeurs aéronautiques pour le SHM dans cette partie.

En aéronautique, on distingue trois méthodes utilisant les systèmes SHM : l’acoustique, l’électriqueet les mesures de contraintes statiques/dynamiques, auxquelles on peut assimiler la méthode ducontrôle de pression CVM.

Les méthodes acoustiques sont essentiellement constituées de capteurs piézoélectriques, cesméthodes sont largement expliquées dans la deuxième partie de l’étude.

4.1) Les méthodes électriques

En aéronautique, on peut utiliser deux méthodes principales de mesures électriques dans unprocédé SHM qui sont le courant Foucault et la mesure d’impédance.

La première méthode, les courants de Foucault, est utilisée essentiellement sur des matériauxconducteurs, et ses mesures sont locales.

Cette méthode permet la détection de défauts géométriques tels que des criques, des fissures. Onpeut également utiliser ces capteurs dans mettre en évidence des phénomènes de corrosion.

Le principe de contrôle par courant Foucault est d’approché une bobine animé d’un courantélectrique inducteur (3 à 5mA) sur la structure, à l’endroit précis où la mesure doit être effectuée.Le matériau étant conductible émet un champ magnétique en réaction et il y a apparition descourants de Foucault ou courant induit sur la surface du matériau.

Par contre si la structure que l’on veut contrôler présente un endommagement, une perturbation duchamp magnétique s’établie. Celle-ci est directement liée au type d’endommagement en présence.

Figure 7 : Principe général des courants de Foucault [28]

Ces capteurs peuvent être appliqués sur des têtes de cadres pour contrôler la propagation decriques de surface (Cf. cliché 8).

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Figure 8 : Capteur à courants de Foucault placé sur une tête de cadre d’un avion

Le courant de Foucault a la même force que le courant électrique inducteur.

Cette méthode permet aussi de mesurer la conductivité de la structure, c'est-à-dire savoir si lematériau n’a pas changé d’état.

La deuxième méthode concerne la mesure de l’impédance électromécanique, souvent utiliséepour contrôler l’état de santé des structures.

On effectue cette mesure en apposant une lame mince accouplée au transducteur piézoélectriqueou l’on veut faire la mesure.

Cette lame est excitée par un courant. La lame étant en interaction avec la structure, un courantélectrique alternatif est créé.

L’information récupérée est déterminée par lecture d’une bande correspondant aux valeurs del’impédance liées aux fréquences de résonnance du matériau comme l’illustre la figure ci-dessus :

Figure 9 : Principe des capteurs par mesure d’impédance [29]

Lors du contrôle si le matériau présente une anomalie du type délaminage, on aura un décalagedes fréquences, ceci est démontré en comparant les impédances d’une structure saine et d’unestructure endommagé. On peut visualiser ce phénomène sur la figure ci-dessous :

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Figure 10 : Mise en évidence d’un défaut type « délaminage » par mesure d’impédance [29]

Ces opérations de contrôles peuvent être réalisées plusieurs fois dans le temps pour surveillerl’état de santé des structures et d’anticiper d’éventuelles réparations.

4.2) Les méthodes de mesures de contraintes

Pour les méthodes de mesure de contraintes on utilise entre autre les technologies de la jauge decontraintes qui permettent de suivre l’évolution de la dégradation d’une structure, et lestechnologies de fibre optique vues sur la précédente partie.

Si on veut suivre une dégradation telle qu’une fissure sur une structure, on peut utiliser latechnologie de la jauge de contrainte. On place la jauge sur la fissure. Au fil du temps, la fissures’élargie par les contraintes mécaniques imposées au matériau.

La résistance R de la jauge de contraintes est proportionnelle à la longueur d’étirement.

Figure 11 : Principe de la jauge de contraintes

On peut également utiliser la méthode comparative vacuum monitor (CVM) pour suivre localementl’apparition et l’évolution d’une fissure.

Les points critiques tels que les zones de rivetage peuvent être surveillés rigoureusement enutilisant cette méthode, car sur ces zones les fissures sont susceptibles d’apparaitre.

La méthode comparative vacuum monitor (CVM) est très simple et efficace.

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Le principe de contrôle de cette méthode est de créer le vide entre le capteur et la surface àsurveiller. La présence d'une microfissure dans la surface à contrôler crée une entrée d'air dansles galeries ou règne le vide.

Figure 12 : Principe du capteur CVM [25]

5) SHM et environnement

L’environnement est un secteur en plein essor dans le domaine du structural health monitoring.

Les éoliennes et le nucléaire constituent deux grandes technologies dans l’approvisionnement del’énergie. Ces technologies s’intéressent de près au SHM afin d’acheminer l’électricité en toutesureté.

A titre d’exemple, dans le secteur éolien, des dommages peuvent survenir à tout composant oupartie de l'éolienne; Il peut s'agir d'une défaillance de la base en béton ou d'une défaillance deslames elles-mêmes, d'une boulonnerie, d'une boucle de retenue. En Allemagne, en 2002, unelame a éclaté à mi-tour avec une «fissure» audible, des morceaux ont été trouvés dispersés dansles champs environnants. Dans un autre cas, une lame arrachée a volé jusqu'à 8 km cassant lafenêtre d’une maison dans son envol [23].

Le nucléaire présente des plages de température et pression assez importantes dans sonfonctionnement, la bonne tenue des matériaux aux diverses sollicitations est primordiale, elleconstitue l’élément le plus important au regard des autorités (ASN).

Différents capteurs, déjà présentés, peuvent être déployés dans ces industries : les jauges decontraintes, les réseaux de Bragg, les capteurs piézoélectriques (développés dans la secondepartie de l’étude).

On notera que des recherches portant sur une nouvelle technologie de mesure par capteurs dedéflexion est employée sur les pales de rotor des éoliennes.

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Figure 13 : Principe d’installation et de fonctionnement d’un capteur de déflexion [23]

Un capteur de déflexion, spécialement développé, semble convenir pour un usage sur les pales etsur les longues et larges structures. Ce capteur est conçu pour être totalement insensible auxeffets de la foudre.

Le capteur, qui peut être installé pendant la fabrication de la pale ou être monté plus tard, utilise leprincipe de fonctionnement montré dans la Fig. 7 : Un fil plastique renforcé de fibre de verre (GRP)est étiré entre les deux points d’attache. Un point d’attache réside à l'intérieur de la pale et forme le«point de mesure» réel (unité passive du capteur). L'autre point d'attache est situé à la base de lapale et forme «le point de mesure», l'unité active du capteur.

La Fig. 7 montre que le lien principal de la pale est idéal pour l'installation du capteur de déflexion.L'amplitude du mouvement de la pale dans le secteur «du point de mesure;» change l'angle du filGRP dans l'unité active du capteur. Cette variation d’angle est proportionnelle à un éventuelendommagement de la pale [23].

6) SHM et transport

Les capteurs accéléromètres ou piézoélectriques sont aussi utilisés dans le domaine du transportspatial, automobile, ferroviaire, maritime.

Ces différents domaines utilisent également la technique des vibrations qui repose sur l’analysemodale de vibration.

En effet, réduire les vibrations et analyser la santé des structures, sont des enjeux devenusmajeures pour ce secteur d’activité qui ne cesse d’innover.

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7) Structural Health Monitoring dans l’aéronautique

7.1) Contexte

Le secteur de l’aéronautique s’intéresse de plus en plus au Structural Health Monitoring [21], eneffet, cette méthode permet aux avionneurs de réduire leurs coûts opérationnels par :

- Une augmentation de la disponibilité des avions ;- Une réduction des coûts de maintenance.

La méthode SHM ne substitue pas les contrôles non destructifs « traditionnels » [15], néanmoins,elle les diminue considérablement, permettant ainsi de visualiser directement l’état de santé descomposants et d’éviter toute erreur à caractère humain.

Il est néanmoins, primordial, de garantir l’intégrité structurale des équipements malgrél’enfouissement de capteurs dans les structures, cet élément explique le fait que cette méthode nesoit pas plus abondamment utilisée dans le secteur aéronautique.

Dans cette étude, nous nous intéresserons aux capteurs piézoélectriques embarqués dans lesmatériaux composites des équipements aéronautiques.

Dans les différentes phases de fonctionnement de l’avion, différentes sollicitations apparaissentcomme illustré dans la figure 14, ces sollicitations peuvent engendrer des endommagements àcaractère évolutif jusqu’à rupture du composant dans la pire des situations.

Il est donc important de maitriser ce phénomène et de l’anticiper, le SHM permet la visualisationdirecte de l’état de santé du matériau par la distribution de capteurs sur ou dans les structures àsurveiller.

Figure 14 : Schéma de répartition des contraintes sur un avion [33]

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Figure 15 : Endommagements apparus dans des structures composites d’un avion [33]

7.2) Les matériaux composites dans l’industrie aéronautique

Depuis une vingtaine d’année, le secteur aéronautique [33] a nettement augmenté la part desmatériaux composites dans la fabrication des avions (cf. figure 16). On retrouve d’autres secteurstels que le spatial, automobile, le ferroviaire, la construction civile, l’électronique, le sport et loisirs,le médical, utilisant les matériaux composite. Dans cette partie de l’étude, nous nous intéresseronsà l’industrie aéronautique.

Figure 16: Dispersion des matériaux composites dans les avions civils (Boeing 747) [33]

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Les fabricants utilisent les composites à fibres de verre et/ou de carbone [16], ces matériaux plusrésistants, légers, inoxydables, constituent un facteur important dans l’amélioration desperformances, la réduction du poids, la maitrise de l’environnement par un abaissement de laconsommation des engins.

On retrouve différents types de composites utilisés dans l’aéronautique :

Les composites en fibres de carbone renforcés polymères (CFRP) ; Les composites en fibres de verre renforcés polymères (GFRP) ; Les composites en fibres de quartz renforcés polymères (QFRP) ; Les composites en fibres de verre renforcés Aluminium (GLARE) ; Les structures composites sandwich (cf. figure 17).

Figure 17 : Représentation d’une structure composite « sandwich » [35]

7.3) Comportement des matériaux composites

Dans l’industrie et en particulier dans l’aéronautique, les assemblages composites sont soumis àune multitude de facteurs endommageants pouvant dans la pire des situations conduire à larupture des matériaux.

Les facteurs endommageant sont de natures différentes, mais peuvent tous octroyer à la matricecomposite une diminution de sa résistance mécanique, un échantillon de ces facteursendommageant est cité ci-dessous :

Les chocs (impacts), L’humidité, L’exposition aux UV, La corrosion, Les facteurs chimiques, Les diverses sollicitations en statique ou en fatigue.

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Les endommagements qui en résultent sont souvent initiés d’hétérogénéités volumiques (cavités)ou surfaciques (fissures) apparues dans la structure composite lors de sa phase d’élaboration ,ces modes d’endommagement des composites sont répertoriés ci-dessous :

- La microfissuration de la matrice : Ce type d’endommagement apparait lors dechargements trop importants de la structure ;

- La rupture de l’interface fibre-matrice : Une fissuration matricielle peut se propager le longdes fibres lorsque la résistance de la matrice est faible ;

- Le délaminage : Il représente un vide entre deux plis aux orientations différentes, ce typede défaut peut apparaitre lors des procédés de fabrication des composites ou aprèsévolution préférentielle de fissures au sein de la matrice [1] ;

- La rupture des fibres : Ce mode d’endommagement est le plus redouté et le plusdangereux, il intervient lorsque la contrainte à la rupture des fibres est supérieures auxautres éléments englobant le composite, il mène à la rupture quasi instantanée ducomposant.

Figure 18 : Mise en évidence des défauts récurrents dans les pièces composites [38]

Dans la plupart des cas, la rupture finale des pièces intervient bien après l’apparition desendommagements présentés ci-dessus, de nombreuses recherches portent sur la mécanique dela rupture des structures composites que nous ne traiteront pas dans cette étude. Dans la suite decette étude, nous nous intéresserons aux travaux effectués sur des mesures piézoélectriques parle biais de capteurs enfouis dans les structures composite ou posés par collage sur le matériauafin de visualiser ou anticiper les défauts précédemment présentés.

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7.4) Les contrôles non-destructifs dans l’aéronautique

Les constructeurs aéronautiques (Boeing, Bombardier, Embraer ou Airbus) procèdent à des visitespériodiques des avions afin de garantir leur état de santé, ainsi on peut citer une panoplie decontrôles non-destructifs effectués lors de ces visites :

Les inspections par courants de Foucault (méthode utilisée pour les composites en fibresde verre renforcés aluminium : GLARE) ;

La radiographie à rayon X ; L’inspection ultrason (Ultrasons par couplage et/ou ultrasons multi éléments) ; Le test ELCH (mesure de l’élasticité du matériau) ; Le test du marteau (« tap test ») ; La thermographie…

Ces contrôles permettent une identification fine des endommagements des structures. Il n’est pasquestion de remplacer ces méthodes par le SHM, cependant il est intéressant de mettre enévidence que ces méthodes de contrôles ne peuvent pas se substituer à une unique méthodepermettant de caractériser tout type d’endommagement. De plus tous ces contrôles nécessitent laprésence d’un opérateur qualifié, les temps de contrôle peuvent être extrêmement longs (jusqu’à48H).

7.5 ) Des contrôles non-destructifs au SHM

La maintenance représente un coût important pour les constructeurs tout en s’exposant au risqued’erreur humaine.

La méthode SHM permet l’automatisation des contrôles [5] [33], on en tire les bénéfices suivants :

A court terme : Elimination des phases de démontage avant inspections, réduction desphases de maintenance au sol, détections d’impacts et de chocs durant les phasesopérationnelles de vol de l’avion, détections précoces de défauts, réductions desréparations, minimisation de l’intervention humaine.

A long terme : Optimisation de l’efficacité des structures, nouveaux designs des matériaux,allègement du poids de l’avion et donc meilleure autonomie énergétique.

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8) Les capteurs piézoélectriques appliqués aux matériaux composites dans l’industrieaéronautique

8.1) La piézoélectricité

La piézoélectricité est la propriété d’un matériau à se polariser sous l’action d’une contraintemécanique, c’est l’effet direct de la piézoélectricité.

Inversement, elle peut également représenter la capacité d’un matériau à se déformer sous l’actiond’un champ électrique, c’est l’effet indirect de la piézoélectricité.

La figure 19 illustre les deux phénomènes.

Les capteurs piézoélectriques utilisés dans l’aéronautique utilisent les propriétés piézoélectriquesdes matériaux. Les plus utilisés dans le domaine SHM des capteurs piézoélectriques sont lescéramiques PZT (Titano-Zirconate de Plomb). Les deux effets de la piézoélectricité sont utilisésdans l’exploitation de ces capteurs (comportement actif et passif), nous développerons cescomportements dans la suite de l’étude.

Figure 19 : Schématisation du comportement piézoélectrique [31]

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8.2) Piezoelectric wafer Active Sensor (PWAS)

Les capteurs PWAS sont très rependus dans la méthode SHM, ils fonctionnent sur le principe dela piézoélectricité.

Les capteurs piézoélectriques pour l’examen de pièces composites présentent nombreuxavantages dus à leurs poids, leurs tailles et leurs coûts. Les céramiques PZT (Titano-Zirconate dePlomb en Lead Zirconate Titanate) et les films PVDF (Polyfluorure de Vinylidène enPolyVinyliDene Fluoride) (cf. figure 6) sont les deux capteurs les plus répandus sur le marché.

Figure 20: Différents transducteurs disponibles sur le marché (a) Film piézoélectrique (b)Céramiques en PZT à formes diverses (c) Patch céramique piézoélectrique PVDF (d) Macro fibre

composite (MFC) [35]

Ils sont, très régulièrement, composés d’un matériau piézoélectrique (PZT) enrobé de deuxélectrodes métalliques (cf. figure 7).

On observe deux comportements distincts de ces capteurs permettant des observationsstructurales différentes : le comportement actif et le comportement passif.

Figure 21: Schéma général des capteurs piézoélectriques [35]

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8.2.1) Comportement actif

La technique de contrôle repose sur l’émission d’ondes mécaniques (PZT actionneur) sepropageant dans la structure, ces ondes peuvent être perturbées dans leur propagation à larencontre de défauts. Le défaut rencontré par les ondes créé une diffraction, cette information estrecueillie par le PZT agissant en capteur avant d’être envoyée dans un système d’acquisition. Desoutils de traitement de signal permettent d’émettre un diagnostic sur la nature du défaut. Lafréquence du signal est contrôlée par l’opérateur, celle-ci constitue un facteur important dans laprécision de la mesure. La chaine de mesure complète du procédé est décrite ci-dessous :

Figure 22 : Chaine de mesure d’un signal à ondes guidées [3]

Cette méthode, a fait l’objet de nombreuses recherches dans le domaine du SHM. Elle apportedes résultats satisfaisant. Il est possible de détecter, localiser et caractériser des défauts dans lesmatériaux composites. De plus, et contrairement à d’autres méthodes reposant sur lapiézoélectricité, il est possible de contrôler des pièces de grandes dimensions à condition debénéficier d’un nombre de capteurs suffisant.

Néanmoins, comme le montre la thèse de Claude Fendzi [32], portant sur l’embarcation de ce typede capteurs afin de garantir l’état de santé des structures constituant la nacelle d’un Airbus A380,certains problèmes ont été décelés :

- Ce type de mesure n’est pas trop adapté aux composites de type sandwich.- La méconnaissance des facteurs pouvant influer sur les précisions des mesures est

primordiale dans le choix de positionnement des capteurs, cette meilleure connaissancepermettrait également de diminuer le nombre de capteurs en présence.

La méthode SHM la plus utilisée reposant sur ce comportement est la génération d’ondes de Lambdans les matériaux composite [34]. Les fréquences des capteurs utilisées pour générer ce typed’ondes sont de l’ordre de la centaine de kilohertz. Contrairement aux ondes de Rayleigh, lesondes de Lamb sont capables de pénétrer un matériau composite sur toute son épaisseur et leursatténuations sont faibles, ceci permet la caractérisation de défauts dans l’épaisseur de grandespièces composites. On remarque que cette technique est très efficace pour la recherche dedéfauts de type délaminage [1]. Les chercheurs espèrent que cette technique permettra dediminuer le nombre de capteurs et donc de simplifier le système d’évaluation.

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8.2.2) Comportement passif

Pour les capteurs PZT, fonctionnant de manière passive, l’onde générée n’est plus générée par ungénérateur ultrasonique mais par l’impact d’un corps externe au capteur. Lors de la maintenanceau sol des avions, cette technique est utilisée en octroyant à la structure un impact de puissancecalibrée. L’agrandissement d’un défaut, au cours d’un vol, peut également générer une onde. De lamême manière que pour le comportement passif, l’altération de ces ondes à la rencontre d’uneimperfection structurale est analysée par un système d’acquisition, cette altération estcaractéristique, selon son aspect, d’un mode de dégradation.

On notera que ce type de comportement ne permet pas un diagnostic en temps réel du matériau.

Dans le secteur aéronautique, l’implant piézoélectrique [12] utilise ce comportement, il consiste àintégrer à la structure un capteur piézoélectrique (en général le PZT) entre deux plis du composite.Il permet de mesurer une variation d’impédance électrique par vibration du capteur enfoui par dessollicitations extérieures, la vitesse de propagation et l’atténuation des ondes produites sontdirectement liées à l’état de santé du composant. Les chercheurs ont montré qu’en utilisant deshautes plages de fréquence, l’information recueillie dépend directement de l’état de lamicrostructure.

Cette technique privilégie la recherche d’impacts localisés sur la structure composite.

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8.3) Applications industrielles

Chang et Al sont à l’origine de l’utilisation des capteurs piézoélectriques dans la recherched’endommagements dans les pièces en composite [6], [7], leurs études portent sur la détection dedéfauts par génération d’ondes de Lamb. Ces capteurs représentent aujourd’hui une part trèssignificative des capteurs piézoélectriques utilisés dans le secteur aéronautique.

La société Acellent Technologies, crée par des chercheurs américains, et la société française A2Mproposent au secteur aéronautique des capteurs reposant sur un comportement actif et/ou passifde la piézoélectricité. Leurs capteurs se présentent sous la forme d’un film qui peut être inséréentre deux plis de composite (comportement passif) ou posé sur la structure (comportement actif –ondes de Lamb).

Figure 23 : Exemple d’utilisation d’un capteur « Acellent Technologies » sur un réservoir encomposite

Ces deux approches présentent un inconvénient majeur, elles sont capables de mettre enévidence des défauts de grandes tailles, cependant, la présence d’un défaut fin dans une grandestructure peut générer une onde d’amplitude inférieure au bruit mécanique environnant, il est alorsnécessaire d’effectuer un contrôle ciblé ou de multiplier les capteurs sur la pièce à contrôler.

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8.4) Du capteur PZT en passant par le capteur sans fil , le patch d’enfouissement et lecomposite intelligent

Au vu des inconvénients décris dans le chapitre précédent, de nombreuses recherches portent surl’enfouissement de capteurs au sein même des structures composite afin d’améliorer la précisionde mesure, cependant, ces intrusions peuvent être le point d’initiation d’un défaut, générant aucomposite des sites de concentrations de contraintes dans sa structure. Afin de rassurer lesconstructeurs, nombreuses études portent sur la non-altération du comportement mécanique descomposites après enfouissement de capteurs.

Durant nos recherches, nous avons également lu des documents portant sur le déploiement decapteurs sans fils intégrés aux structures composites. Cette orientation permet de négliger levieillissement des câbles constituant le système d’acquisition.

D’autres études, innovantes, portent sur l’utilisation de matériaux piézoélectriques « intelligents »,le but étant d’intégrer la détection d’endommagements dans le matériau lui-même. Ces méthodes,bien que très prometteuses, sont très couteuses et ne sont pas encore arrivées à maturité.

Nous développerons ces orientations dans la suite de l’étude.

8.4.1) Les capteurs piézoélectriques intégrés à la structure : concept dupatch d’enfouissement

Afin que le composite bénéficie de propriétés mécaniques isotropes, les fibres composant lematériau sont alternées d’un pli à l’autre de 0° / 45°/ 90°, c’est lors de cette étape que les capteurssont insérés entre deux plis.

La disposition de ces capteurs à l’intérieur de la matière doit faire l’objet d’une analyse pointue, eneffet une cartographie des flux d’efforts au sein de la structure doit être établie afin de ne pasengendrer une fragilisation de la matrice par l’enfouissement de capteurs.

Nombreuses recherches portent sur l’enfouissement de capteurs dans le structures composites,on remarque que la majeure partie des capteurs utilisés pour ce type de mesure sont des capteurscéramiques.

Des études pointues [8], [9], [10] comportant des essais de traction, compression, flexion et fatigueont été réalisées sur des structures composites intégrant des capteurs piézoélectriques, on peuten tirer les conclusions suivantes :

- Les propriétés mécaniques du composite ne sont quasiment pas affaiblies par l’insertion d’uncapteur dans sa structure ;

- L’intégrité des capteurs est préservée jusqu’à détérioration de sa zone d’accueil ;

- Son logement d’accueil (condition d’entrelacement du capteur dans les fibres du composite) peutdifférer l’initiation des fissures et retarder leurs propagations).

Cependant, des études nous montrent que le capteur enfoui seul dans la structure amène desperturbations structurales dans son voisinage direct pouvant être à l’origine des premiersendommagements.

Afin de remédier à cette problématique, les chercheurs travaillent sur des méthodesd’enfouissement.

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La thèse de M. TORRES [34] porte sur le concept du patch d’enfouissement dans les structurescomposites, ce concept est développé dans le but de diminuer le caractère intrusif du capteur dansla structure en diminuant le risque de présence de porosités aux alentours du capteur.

Figure 24 : Schéma du patch d’enfouissement [34]

Cette méthode a fait l’objet de tests sur pièces industrielles dans le secteur aéronautique, elle serévèle très prometteuse dans la diminution des concentrations de contraintes aux alentours ducapteur enfoui, elle reste néanmoins dans une phase de recherche.

Les capteurs piézoélectriques enfouis dans la matière composite ont un comportement passif, unbruit mécanique ou la propagation d’un défaut dans le composite peut générer un bruitcaractéristique d’un endommagement ou d’une déformation structurale du composite.

L’enfouissement peut également être utilisé afin de suivre l’évolution de paramètres physiques(déformation, température), lors de la phase de fabrication du matériau composite.

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8.4.2) Les capteurs sans fils : utilisation pour le SHM

L’intérêt des constructeurs aéronautiques pour une génération de capteurs sans fils estgrandissant. A titre d’exemple, le poids à vide d’un avion A235 est de 35 à 40 tonnes parmilesquelles 1,5 tonne constitue l’ensemble du câblage de l’avion. La réduction du poids constitue unfacteur important dans l’amélioration des performances comme déjà développé précédemment. Deplus, dans une démarche de simplification et de gain de temps, de l’installation des réseauxélectriques, cette méthode constitue une vraie amélioration.

Des sujets de recherche ont été effectués comme la thèse de H. DUROU portant sur l’autonomieénergétique des réseaux de capteurs embarqués [37].

Les sujets de recherche que nous avons identifiés présente un avantage majeur :

Les capteurs sans fils pourraient être placés en plus grand nombre sur la structure,l’encombrement filaire étant diminué. On pourrait donc améliorer la précision des mesures.

Le projet AUTOSENS cofinancé par la FRAE* et le CNRS a pour objet de travailler sur l’intégrationd’un système de récupération d’énergie pour l’alimentation de capteurs embarqués. Ce projetfavorise la fiabilité des capteurs car ils pourront être alimentés par l’énergie stockée et non montéssur batteries.

Le stockage énergétique constitue une problématique sur laquelle les chercheurs travaillent, desétudes sur la récupération d’énergie fournie par les vibrations du moteur ou par un micro-générateur piézoélectrique sont menées, le stockage est établi par un système micro-condensateur. Ces études ne sont pas arrivées à terme mais bénéficient d’une nette marge deprogression dans le domaine du contrôle santé des structures composites dans l’aéronautique.

La société américaine Ascellent développe une valise permettant l’acquisition d’informationsrelatives aux capteurs sans fil « Smart Suitcase ». Cet instrument a été rendu compatible avec unordinateur de maintenance développé par Honeywell Aerospace dans le domaine del’aéronautique.

8.4.3) Les composites intelligents et la peinture piézoélectrique

Tout le monde s’accorde à dire que la miniaturisation des capteurs au sein de la structurecomposite constituerait une nette avancée, permettant une banalisation du capteur au sein de lastructure. A la fin des années 70 Newnham et al [13] ont mené des études sur l’intelligence desmatériaux composites.

Sa théorie repose sur le couplage de deux phases dans un matériau composite, la première étantcomposé d’un matériau piézocéramique (phase active) et d’un matériau polymère (phase passive).

* Fondation de Recherche pour l’Aéronautique et l’Espace, constituée notamment d’Airbus, Safran, Thalès,EADS, du CEA, du CNRS, de l’ONERA et de l’ISAE

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Le matériau piézocéramique (phase active) est constitué dans la majeure partie du temps de PZT.

Le mélange obtenu peut ensuite être déposé par divers procédés [11] sur les pièces composites.Le capteur est alors intégré à la structure. Cette technique, toujours en phase de recherche,permet le contrôle de pièces à géométries complexes et/ou de grandes tailles.

8.4.4) Les capteurs fibreux

Une autre approche consiste à insérer lors de la fabrication des composites, des tissus textilesintelligents. Ces tissus font l’objet de recherche, l’ENSAIT par exemple travaille sur l’améliorationde ces capteurs textiles, car ils doivent comporter des caractéristiques mécaniques au moins aussiélevées que les matrices composites.

Ce projet s’annonce très novateur car il permet une distribution importante de capteurs au sein dela matrice sans atténuer ses caractéristiques mécaniques.

Figure 25 : Fabrication des tissus intelligents

Figure 26 : Clichés de capteurs textiles

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9) Conclusion générale et perspectives:

Le Structural Health Monitoring suscite un intérêt grandissant dans divers secteurs, cette méthodepermet une réduction des coûts de maintenance des matériaux ainsi qu’un contrôle de l’état desanté des composants fiable.

Dans la première partie de cette étude bibliographique, nous avons établi un état de l’art de laméthode « Structural Health Monitoring » en présentant les domaines d’application du SHM dansl’industrie, les différentes technologies de capteurs embarqués disponibles sur le marché, lesmatériaux pouvant accueillir ces types de capteurs et les endommagements pouvant être détectéspar ces capteurs.

La deuxième partie de cette étude porte sur les capteurs piézoélectriques utilisés dans le secteuraéronautique sur des matériaux composites. Nous avons mené ce sujet en présentant l’intérêt desconstructeurs aéronautiques pour ce type de contrôle, les impacts engendrés par le SHM chez lesconstructeurs.

Les composites utilisés dans l’aéronautique ont fait l’objet d’une présentation ainsi que leursmodes de dégradation.

Ensuite une partie plus technique portant sur le fonctionnement des capteurs piézoélectriques estprésentée. Cette partie met l’accent sur les différents modes de fonctionnement des capteurs ainsique sur leur disposition sur ou dans les composites.

Enfin, Nous avons mis en évidence des travaux réalisés sur des technologies de pointe dans ledomaine du SHM « aéronautique » portant sur l’utilisation de composites intelligents.

Le SHM est un domaine d’application novateur, les principaux ouvrages que nous avonsrécupérés sont des travaux de recherche. Nous n’avons pas su récupérer de travaux portant surl’embarcation « réelle » de capteurs piézoélectriques dans des avions.

Cet outil de caractérisation n’est pas encore arrivé à maturité dans le domaine de l’aéronautiquesur les matériaux composites, on constate une marge de progression importante. Les résultats derecherche présentés dans cette étude illustre une technique fiable et robuste dans la détection etcaractérisation des endommagements.

Aujourd’hui les travaux de recherche continuent, il est primordial pour les chercheurs de lever tousles doutes des constructeurs aéronautique sur d’éventuelles fragilisations des composites dansl’intégration de capteurs au sein de leurs structures.

Nous mettons l’accent sur les travaux de recherche portant sur l’intelligence des matériauxcomposites, ils constituent, selon nous, l’avenir de cette filière car ils permettent aux constructeursde s’affranchir de tout risque lié à la fragilisation du composite par l’insertion de capteurs dans sastructure.

Les différentes méthodes de caractérisation d’endommagements via des capteurs piézoélectriques« SHM » dans les matériaux composites présentent toutes une marge de progression importante,bien qu’elles ne soient par encore instrumentées de manière pérenne sur les avions civils, leursrésultats montrent qu’elles constituent l’avenir du contrôle non destructif dans le domaine del’aéronautique.

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10) Références bibliographiques

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