Analyse de réparations collées par thermographie InfraRouge : optimisation de la réponse thermique du joint structural

(1)

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Eprints ID: 19554

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Barus, Matthias and Welemane, Hélène and Nassiet, Valérie and Pastor, Marie-Laetitia and Cantarel, Arthur and Collombet, Francis and Crouzeix, Laurent and Grunevald, Yves-Henri Analyse de réparations collées par

thermographie InfraRouge : optimisation de la réponse thermique du joint structural. In: GDR week du GDR CNRS 3671 MIC, 14 November 2017 -

17 November 2017 (Talence, France). (Unpublished)

O

pen

A

rchive

T

oulouse

A

rchive

O

uverte (

OATAO

)

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(2)

A

NALYSE DE RÉPARATIONS COLLÉES PAR THERMOGRAPHIE INFRAROUGE

:

OPTIMISATION DE LA RÉPONSE THERMIQUE DU JOINT STRUCTURAL

Matthias BARUS

1

H. WELEMANE1_{, V. NASSIET}1_{, M.L. PASTOR}2_{, , A. CANTAREL}2_{, F. COLLOMBET}3_{, L. CROUZEIX}3_{, Y.H. GRUNEVALD}4

1 _{Université de Toulouse, INP ENIT-LGP, Tarbes, France} 2 _{Institut Clément Ader, IUT de Tarbes, Dpt GMP, Tarbes, France}

3 _{Université de Toulouse, UT3 Toulouse, France}

(3)

C

ONTEXTE

:

ÉTUDE D

’

UN JOINT COLLÉ PAR THERMOGRAPHIE INFRAROUGE

[Bombardier, 2016]

Structure primaire endommagée

Réparation structurale fixée par collage structural [USA Departement of defense, 2002]

Patch Structure

parent

Joint structural

• Conservation du profil aérodynamique

[Baker et al., 2015]

• Meilleure répartition des efforts mécaniques

[Maldague, 1993]

• Technique de réparation non certifiée

(4)

Echantillon Lentille convergente Caméra thermique Obturateur Lampe halogène

Drap noir

Maîtrise de la stimulation thermique

et des conditions aux limites

Difficulté : faible contraste thermique

Modification du comportement

thermique de la matrice époxyde

Réponse thermique du joint de colle

Banc d’essais thermiques par TIR active

C

ONTEXTE

:

ÉTUDE D

’

UN JOINT COLLÉ PAR THERMOGRAPHIE INFRAROUGE

ΔT₂ (K) 1,4

-0,2 0,6 [Barus et al., 2017]

(5)

D

ÉFINITION DU JOINT CHARGÉ

Objectif :

Créer un nouveau matériau joint à base époxyde et aux propriétés thermiques discriminantes

Paramètres à définir :

• Nature du comportement du joint chargé ?

• Type d’additifs ?

• Fraction volumique des additifs ?

Représentation schématique d’une réparation par collage structural en forme de marche d’escalier

Adhésif Eprouvette inférieure Colle Mousse isolante Y1 Y2 Eprouvette supérieure

(6)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 20 40 60 80 100 V a ri a tio n d e te m p é ratu re (K)

Distance le long du profil y (mm)

Y1 Y2

ΔT

₂

= ΔT

_(réparée)

- ΔT

_(saine)

Température relative

Post-traitement en température relative :

Isoler la réponse thermique du joint de colle

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 20 40 60 80 100 V a ri a tio n d e te m p e ratu re (K)

Distance le long du profil Y (mm)

Y1 Y2 1 2 3 4 5 40 6666666666666000000000000 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 20 40 60 80 100 V ariat ion de tem pérat ure relat iv e (K)

Position le long du profil Y (mm)

1 2 3 4 5

Y1 Y2

40 6666666660000000000

Influence du

joint structural

(7)

Conductivité thermique (λ)

5λ

ൗ

λ

ͷ

Variation de température surfacique

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 V ariati on de temperature relati v e (K )

Position le long du profil Y (mm) Matrice époxyde Joint isolant Joint conducteur Y1 Y2 1 2 3 4 5 ΔT (K) 3,5 1,75 0 Y1 Y2 Profil Y Joint isolant Joint conducteur 1 2 3 4 5

D

ÉFINITION DU JOINT CHARGÉ

:

NATURE DU COMPORTEMENT

Joint isolant :

ΔT

₂

_{³ 0, plus importante que pour l’époxyde}

Joint conducteur:

ΔT

₂

< 0

Fort contraste en

présence de vide

[Li et al. 2009]

(8)

Eléments constitutifs du modèle numérique par EF de l’éprouvette réparée : défaut de collage

D

ÉFINITION DU JOINT CHARGÉ

:

NATURE DU COMPORTEMENT

Défaut de collage Eprouvette

supérieure

Colle Matrice époxyde

Eprouvette inférieureEprouvette inférieure Mousse

(9)

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 V ariati on de temperature relati v e (K )

Position le long du profil Y (mm) Matrice époxyde Joint isolant Joint conducteur Y1 Y2 1 2 3 4 5 ΔT (K) 3,5 1,75 0 Y1 Y2 Profil Y Joint isolant Joint conducteur 1 2 3 4 5 Défaut

Conductivité thermique (λ)

5λ

ൗ

λ

ͷ

[Li et al. 2009]

Variation de température surfacique

Fort contraste en

présence de vide

Visibilité améliorée

du défaut

(10)

Matériaux :

• Colle époxyde (λ = 0,226 W.m

-1

_.K

-1

₎

• Alumine Al

₂

O

₃

(λ = 35 W.m

-1

_.K

-1

₎

_{[Das et al., 2003 ; Xie et al., 2002]}

• Nitrure de bore BN (λ = 300 W.m

-1

_.K

-1

₎

_{[Gaska et al., 2012 ; Zhou et al., 2010]}

Estimation de la conductivité du joint chargé :

• Fraction volumique : 60 %

[Lee et al., 2006]

• Al

₂

O

₃

_{: particules sphériques ð loi de Maxwell-Garnet}

[Zhu et al, 2010]]

• BN : particules sous forme de plaquettes ð loi de Lichtenecker

[Zhu et al, 2010]]

Particules Al₂O₃ _{Particules BN}

(11)

Joint chargé Al₂O₃ Joint chargé BN

Contraste fort en présence de vides

Profondeur d’inspection plus importante

Y1 Y2 Profil Y ΔT (K) 2,4 1,2 0 Y1 Y2 Profil Y ΔT (K) 2,4 1,2 0 -0.5 -0.25 0 0.25 0.5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 V ariati on de température relati v e (K)

Position along Y profile (mm) Matrice non chargée

Alumine

Nitrure de bore

Y1 1 2 3 4 5 Y2

(12)

• Utilisation d’une colle époxyde pâteuse avant polymérisation

• Géométrie des particules en plaquettes

• Optimisation de la procédure de mélange

Mélange optimisé

Mélange non optimisé

Microscopie optique du joint chargé BN

D

ÉFINITION DU JOINT CHARGÉ

:

FRACTION VOLUMIQUE D

’

ADDITIFS

0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 C onduct iv it é therm ique du m élange (W .m -1. K -1 )

Fraction volumique d'additifs fa (%) Lichtenecker log

Bore exp.

Validation de la loi de Lichtenecker

Fraction volumique maximale : 18 %

λ

_{colle chargée}

: 0,79 W.m

-1

_.K

-1

λ

_colle

: 0,226 W.m

-1

_.K

-1

λ

_envisagé

: 17 W.m

-1

_.K

-1

(13)

Calibration de l’épaisseur du joint

Maintien en position de l’assemblage

E

LABORATION DU JOINT CHARGÉ ET DES ASSEMBLAGES RÉPARÉS

Application de la colle chargée

Papier téflonné X 3

(14)

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 20 40 60 80 100 Va ri a tio n d e te m p é ratu re rela tiv e (K)

Position le long du profil Y (mm) Exp. (t = 12 s) Num. (t = 12 s) 1 2 3 4 5 Y1 Y2 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0 20 40 60 80 100 V a ri a tio n d e te m p é ratu re rela tiv e (K)

Position le long de l'axe Y (mm) Exp. (t = 12 s) Num. (t = 12 s) Y1 1 2 3 4 5 Y2

Fraction volumique = 18 %

• Bonne corrélation

• ΔT

₂

_{£ 0 (limitée)}

C

OMPARAISON DES COMPORTEMENTS

:

JOINT CHARGÉ

/

NON CHARGÉ

Film adhésif

Joint chargé

Y1 Y2 Profil Y ΔT2 (K) 0,5 -0,3 0,1 Y1 Y2 Profil Y ΔT2 (K) 1,5 -0,5 0,5

(15)

Zones non collées

Préparation d’une éprouvette réparée avec défaut de collage

I

NTRODUCTION DE DÉFAUTS DANS LE JOINT CHARGÉ

Représentatives d’un défaut réel

Papier téflonné X 3 Défaut n°1 prof. 0,78 mm Défaut n°2

(16)

Matrice époxyde

Joint chargé

ΔT₂ (K) 3 -0,8 1,1 ΔT₂ (K) 1,6 -0,6 0,55

(17)

Joint chargé

Augmentation du

contraste thermique

ð

Améliore la détection

des défauts

Matrice époxyde

t = 5 s

Défaut n°1 Y1 Défaut n°2 Défaut n°1 Défaut n°2

Y2

Y1

Y2

C

OMPARAISON DES COMPORTEMENTS

:

JOINT CHARGÉ

/

NON CHARGÉ

t = 12 s

(18)