Contrôle de santé des structures à l'aide de capteurs piézoélectriques

01/09/2017
Publication REE REE 2006-2
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-2:19747
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Résumé

Contrôle de santé des structures à l'aide de capteurs piézoélectriques

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Dossier 1 1 LE CONTRÔLE DE SANTÉ STRUCTURALE INTEGRÉ Contrôle de santé des structures à l'aide m là de capteurs piézoélectriques Philippe GUY et Thomas MONNIER INSA de Lyon, Groupe d'étude de métallurgie physique et de physique des matériaux. Mots clés Contrôlede santé de structures, Matériauxcomposites, Implants piézoélectriques, Ondesguidées, Multifonctionnalité Le contrôle de santé des structures est souvent réalisé à l'aide de pastilles piézoélectriques collées en surface ou insérées dans la structure lors de son élabora- tion. Ces capteurs peuvent remplir plusieurs fonctions et fournir des informations complémentaires sur l'état de santé de la structure. 1. Introduction Les techniques classiques d'évaluation non destructive (END) de structures industrielles complexes sont de nos jours nombreuses et variées. Elles vont de l'inspection visuelle aux inspections radiographiques, en passant par le ressuage, les ultrasons, les courants de Foucault, la magnétoscopie, la thermographie infrarouge. Ces tech- niques sont mises en oeuvre lors d'inspections planifiées ou après un événement accidentel comme un impact, un choc thermique, une surcharge anormale. De nos jours l'END intervient de plus en plus dans le procédé de fabri- cation et de transformation des matériaux de structure, ainsi que tout au long de la vie du produit. En pratique, pour connaître l'état de santé d'une structure industrielle, il est nécessaire de disposer de méthodes fiables basées sur une bonne connaissance du matériau, ainsi que des processus d'endommagement susceptibles d'intervenir. L'END des matériaux composites a pris dans les deux dernières décennies un essor considérable, du fait de l'utili- sation croissante de ces matériaux dans de nombreuses industries (aéronautique, aérospatiale, automobile, trans- ports, génie civil, construction navale). Les composites présentent une bonne résistance à la fatigue et à la corrosion, ainsi qu'une bonne adaptabilité de leurs propriétés mécaniques aux propriétés d'usage. Cependant leur utilisation comme éléments structurels reste limitée, en particulier dans le domaine de l'aviation civile, par manque de méthode fiable de contrôle d'intégrité. Par ailleurs le coût de ses matériaux reste encore bien supérieur à celui de leurs équivalents métalliques. De plus, le coût des inspections non destructives repré- sente pratiquement 30 % du coût de mise en oeuvre d'une structure composite. L'inspection visuelle reste la tech- nique la plus répandue de recherche d'endommagement dans l'aviation, mais elle ne permet pas de quantification de la nocivité des défauts détectés. Les nombreuses autres techniques d'END s'appliquant aux structures en compo- site nécessitent l'immobilisation de l'appareil et induisent une perte d'exploitation. Il existe donc un réel besoin de développement de techniques nouvelles d'END fiables, rapides et ne néces- sitant ni l'immobilisation, ni le démontage des structures. Il en résulterait aussi bien une augmentation de la sécurité, en limitant le risque d'erreur humaine, qu'un gain écono- mique (diminution du temps de contrôle, du coût de main d'oeuvre et des pertes d'exploitation). ESSENTIEL Cet article illustre sur la base de deux exemples le potentielde la méthode dite de l'implant piézoélectrique pour le contrôle de santé des structuresindustrielles.C'est une techniqueultrasonore d'évaluation non destructive. Les atouts de cette technique sont le faible coût, la facilité de mise en oeuvreet la possibilité de réaliser plusieurs fonctions avec les mêmes éléments : suivi de vieillissement,détection de défauts, amortissementde vibrations. SYNOPSIS This paper presents through two short examples, the potentialof the so called piezoelectric implantmethod for SHM.lt is a kind of ultrasonic Non Destructive Evaluation technique.Themain trends of this approachare ils low cost, the simplicity of ils implementa- tion and its multifunctionalcharacteristic: agingmonitoring, damage long rangedetection, vibrationdamping. REE No 2 Fevrier2006 e ossier 1 1 LE CONTRÔLE DE SANTÉ STRUCTURALE INTEGRÉ Une littérature récente et abondante [1] témoigne du grand intérêt des chercheurs, comme des industriels, pour le développement de systèmes de contrôle de santé des structures (SHM) complètement intégrés, et capables de donner des informations fiables sur l'intégrité de la structure. Les futurs systèmes in situ, et fonctionnant en temps réel, devront être miniaturisés de manière à limiter le risque d'initiation d'endommagement dans leur voisinage. Ils devront en plus être sensibles, robustes et au moins aussi performants que les systèmes actuels. Si les capteurs sont inclus dans le matériau pour suivre et optimiser son processus d'élaboration, ils peuvent être utilisés pour réaliser le suivi de vieillissement et d'endom- magement de la structure tout au long de son cycle de vie. A long terme, le but d'un tel système de SHM est de permet- tre de situer la structure sur sa ligne de vie. Nous allons tenter dans ce qui suit de présenter une revue synthétique des techniques les plus significatives basées sur l'utilisation de capteurs piézoélectriques. Nous les classerons dans trois catégories, relativement à leur caractère passif, actif ou mixte. Ces trois catégories sont respectivement les techniques ultrasonores, les métho- des d'impédance mécanique, et enfin l'émission acoustique. 2. Méthodes ultrasonores de SHM basées sur l'utilisation de transducteurs piézoélectriques Nous qualifierons de "sensibles " les matériaux ou les structures capables d'estimer leur état de santé, c'est-à-dire d'assurer le suivi de leur éventuel endommagement, qu'il soit localisé ou réparti de façon homogène. Le dévelop- pement de telles technologies est d'ores et déjà mis en oeuvre dans des secteurs comme l'industrie aérospatiale ou la santé, et plus récemment en génie civil. Les techniques que nous décrirons ici s'inscrivent précisément dans le cadre des matériaux sensibles, puisqu'il s'agit de techniques de caractérisation in situ et en temps réel de l'état de santé de structures composites à l'aide de capteurs intégrés. Dans la plupart des matériaux et structures sensibles, les techniques d'évaluation de .. 1-- e j3 ! W-- 1 " - 1 ï 111 2 i1[- 11 ---1 :1 c1 l'évolution des propriétés structurales se basent sur l'inté- gration de capteurs à l'intérieur ou à la surface du matériau susceptible de se dégrader. Dans notre cas, il s'agira de pastilles piézoélectriques Lorsqu'on observe la réponse en fréquence d'une pastille pié- zoélectrique en forme de disque excitée par un courant de fréquence variable et d'amplitude constante, on remarque la présence de nombreux pics régulièrement espacés. Sur la figure 1, on distingue parfaitement deux familles de pics. La première, en basse fréquence, correspond à des résonances mécaniques radiales de la céramique. La première résonance est obtenue pour fa " 250 kHz. Les suivantes sont des harmoniques multiples de fa et d'amplitude décroissante. Vers 2,25 MHz on observe un pic de forte amplitude. C'est en réalité le premier d'une série correspondant à des résonances d'épaisseur de la céramique. Si le diamètre de la pastille est suffisamment grand par rapport à son épaisseur, les deux types de vibrations sont totalement découplés, et peuvent être exploités séparément. 2.1. Exploitation des vibrations axiales La méthode dite de l'implant piézo-électrique [2] a été développée en vue du contrôle in situ de la polymérisation et de l'endommagement de composites. Cette méthode consiste à intégrer un disque piézo-électrique de titanate zirconate de plomb (PZT) à l'intérieur d'un matériau composite avant sa mise en forme, et à suivre l'évolution de son impédance électrique. A l'aide d'une modélisation unidimensionnelle de la vibration en épaisseur du disque de PZT en contact avec la structure hôte (figure 2), on peut montrer que l'impédance électrique de la céramique piézo-électrique dépend non seulement des ses propres propriétés géométriques (épaisseur e), élastiques (masse volumique Pe, constante d'élasticité en compression C33,,) et piézo-électriques (constante piézoélectrique h33, et diélectrique 033), mais aussi des propriétés viscoélas- tiques des milieux environnants (Pi, et C33,i). Le suivi de l'impédance électrique de l'implant permet donc de déter- miner la vitesse et l'atténuation des ondes ultrasonores se propageant dans la direction normale au capteur intégré et, par suite, la rigidité et la viscosité du matériau iiiiliell 1 iiiiplailt iiiilieti - Il 1 j) 1 1), (' 1 (' ;.2 p 3,11 3- 1 " iN,011 rayon o e z Figure 1. Module de l'impédance électrigue de la pa,tille en fonction de la fréqtience. Figzrre 2. Modélisatiorr zrnidimensionnelle du système multicouche implant piézo-électriquelstructure hôte. REE No 2 Fevrier2006 Contrôle de santé des structures à 'aide de capteurs piézoélectriques composite. L'impédance électrique est mesurée dans le domaine fréquentiel du mode de vibration en épaisseur de l'implant. Par l'inversion du problème, il est possible de calculer l'évolution des lois de vitesse et d'atténuation ultra- sonores dans le domaine de fréquence étudié [2]. L'utilisation d'ondes ultrasonores à des fréquences relative- ment hautes (quelques mégahertz) met en évidence des phénomènes intimement liés à la microstructure du maté- riau. Ces mesures rendent compte des variations des pro- priétés viscoélastiques du matériau dans le voisinage immé- diat du capteur, mais l'hypothèse d'une évolution homogène des propriétés globales du matériau a permis le suivi des différents stades de la polymérisation de résines polymè- res [3], ainsi que celui des processus de vieillissement hygrothermique de composites à matrice polymère [4,5]. 2.2. Exploitation des vibrations radiales : application des ondes de Lamb au contrôle de santé des composites Le même implant piézo-électrique peut être utilisé pour la génération d'ondes guidées dans des plaques de maté- riaux composites, comme celles que l'on rencontre dans l'industrie aéronautique. Pour cela, le capteur est excité dans la gamme de fréquence de quelques centaines de kilohertz, pour en exploiter les vibrations radiales [6]. La plupart des expérimentateurs désireux de développer des systèmes de contrôle de santé intégré (health monito- ring) sont souvent confrontés à des matériaux sous forme de plaques minces, comme dans le cas des peaux des ailes d'avion, des réservoirs, des coques de bateau, des tuyau- teries, etc. C'est donc tout naturellement que ces derniers se sont tournés vers l'utilisation et l'étude des modes pro- pres de vibration d'une plaque solide. Dans le cas où la plaque est placée dans le vide (ou dans l'air en première approxi- mation) ces modes propres de vibration sont appelés ondes de Lamb, et on parlera de " leaky Lamb waves " (modes de plaque rayonnants) dans le cas où la plaque est placée dans un fluide de couplage. Le choix des ondes de Lamb sejustifie par leurs nom- breux avantages. Contrairement aux ondes de surface (ondes de Rayleigh) dont l'amplitude s'atténue avec la profondeur sur quelques longueurs d'onde, les modes de Lamb ont la faculté de mettre en vibration la totalité de l'épaisseur de la plaque et offrent la possibilité de détec- ter des défauts internes, quelle que soit leur profondeur. D'autre part, les ondes de Lamb ont la particularité de se propager sans trop de déperdition d'énergie dans les maté- riaux, pourtant passablement atténuants, que sont les matériaux composites. En effet, l'utilisation de modes de vibration à des fréquences relativement basses limite l'influence de la diffusion intrinsèque du matériau. De plus, la propagation se faisant majoritairement dans un guide à deux dimensions, la perte d'amplitude associée à la diffraction du faisceau est beaucoup moins importante que dans le cas des ondes de volume. Les ondes de Lamb ouvrent ainsi la voie au contrôle de santé à grande distance, avec l'espoir de pouvoir développer des structures sensibles de grandes dimensions sans nécessairement multiplier le nombre de capteurs, et donc sans accroître la complexité du système d'évaluation. Enfin, la nature multi-modale de la méthode permet d'exploiter la différence de sensibilité des divers modes pouvant se propager dans une plaque à des types d'endommagements divers. Il est donc conceva- ble de tirer parti de cette approche pour la discrimination des défauts. L'interaction des ondes de Lamb avec différents types de défauts a été mise en évidence, et de nombreux travaux sesont particulièrement appliqués à la détection des délaminages. Les principales manifestations de l'apparition et du déve- loppement d'un défaut qui peuvent être exploitées sont : . l'atténuation du signal ultrasonore transmis à travers la structure (mesures en transmission), . l'apparition d'un écho supplémentaire en prove- nance du défaut (mesures en réflexion), . la conversion de mode au passage de l'onde sur le défaut (mesures en réflexion et transmission). Exemple de mise en oeuvre de la méthode Des plaques instrumentées par des implants piézoélec- triques collés sur leur surface ont subi un endommagement sous la fonne d'impacts basse vitesse. Les matériaux strati- fiés sont particulièrement vulnérables à ce type d'incident car un impact, même de faible énergie, produit généralement des délaminages internes sans laisser de traces décelables par l'inspection visuelle de la surface. Expérimentalement, les impacts ont été appliqués à l'aide d'un dispositif calibré basé sur la chute d'une masse tombante solidaire d'un impacteur hémisphérique de 20 mm de diamètre, sur un composite carbone/époxy stratifié de 6 mm d'épaisseur, comportant 22 plis dont la séquence d'empilement est : [9005 [00,, 900,11. 001. Nous avons effectué une série de 4 impacts d'énergies respectives 2 J, 4 J, 8 J et 8 J. (Des études théoriques montrent qu'il n'y a pas d'effet cumulatif lorsqu'on répète des impacts d'énergie inférieure au seuil d'endommagement. En revanche on s'attend à ce que les deux impacts successifs de 8 J donnent lieu à un délaminage pour le premier et à une augmentation de la surface délami- née pour le second. L'énergie des deux premiers impacts est en dessous du seuil d'endommagement de nos plaques, tandis que les deux derniers sont au dessus). Les images ultrasonores dites B-Scan de la figure ci-dessous montrent clairement la présence de délaminages entre plis croisés à la fin de la campagne d'impacts [7]. Sur ces images, on représente l'amplitude du signal en fonction du temps pour un balayage le long d'une ligne. La vitesse de propagation des ondes étant connue, REE No 2 Fevrier2006 Dossier 1 1 LE CONTRÔLE DE SANTÉ STRUCTURALE INTEGRÉ l'échelle horizontale est proportionnelle à la profon- deur dans l'échantillon. Sur la figure 3a, obtenue sur un composite sain, on met clairement en évidence les inter- faces entre les plis croisés du composite. La rupture de pro- priétés élastiques étant moindre entre plis de même orien- tation, ces interfaces sont beaucoup moins visibles. Sur la figure 3b, obtenue après impact, on observe d'une part une déformation résiduelle de la surface ainsi que des plis situés en dessous du point d'impact. Par ailleurs des échos d'amplitude relativement élevée (entourés) mettent en évi- dence la présence de ruptures importantes des propriétés élastiques, que l'on peut associer à l'existence de délami- nages. Grâce aux pastilles piézo-électriques collées sur la surface, des ondes guidées ont alors été excitées dans ces plaques et les signatures acoustiques correspondantes enregistrées sur un réseau de récepteurs. Bien entendu, l'interaction de ces ondes guidées avec les endommage- ments provoqués donne lieu à des modifications des signatures acoustiques enregistrées. Dans la perspective d'un système capable d'évaluer, en temps réel et in situ, l'état de santé des structures com- posites de manière automatique, il est souhaitable de définir Echudesurhtcc Ecl>,s eiiuc lll Elios Li'iteiltce citic Illi i (leiititltiusE(!lOSd'illtertll'edltrcplisidçJHiqll': S ' " ? (a) ... :, .. : " ", 1, 1. 1 .. 1 1 1 t (I il l l, Ten)j (s) .i1.- (b) -' , .:' i \. 1 a : -'''' "''. ;' .-j' ! '. 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